Il Settempedano
Perché il cielo è (sempre più) blu?
di Stefano Leonesi
Come recitava una bella canzone del compianto Rino Gaetano, probabilmente ognuno di noi si sarà chiesto almeno una volta nella vita perché il cielo è blu, almeno di giorno. È pur vero che crescendo ci si meraviglia sempre meno delle bellezze della natura e i nostri occhi oramai abituati e disincantati non ispirano troppe domande su ciò che ci circonda. Cerchiamo quindi di rimediare nelle prossime righe risvegliando la curiosità ed esponendo in modo colloquiale i motivi della colorazione con cui ci appare la “volta celeste”.
Le cause vanno da ricercare su due fronti: la presenza dell’atmosfera e il fenomeno della “diffusione” della luce solare. L’atmosfera è formata prevalentemente da molecole di azoto e ossigeno le quali assorbono parte dell’energia emessa dal sole. La nostra stella effonde infatti delle onde elettromagnetiche di diversa frequenza che, passando dall’infrarosso all’ultravioletto, generano tutta la luce visibile, cioè tutti i colori dal rosso al violetto. In pratica ogni colore è caratterizzato dalla sua banda di frequenze e la luce bianca solare che noi vediamo non è che la sovrapposizione delle onde di tutte le frequenze del visibile, dunque la somma di tutti i colori. Il fenomeno dell’arcobaleno ne è testimonianza, come anche la scomposizione della luce bianca attraverso un prisma; ma magari ne riparleremo in un’altra “Pillola di scienza”.
Spettro delle onde elettromagnetiche e della luce visibile
Scomposizione (dispersione) della luce bianca nelle sue componenti cromatiche
Appurato che la luce bianca del sole è composta da tutti i colori, ciò non giustifica ancora il caratteristico colorito azzurro del cielo. Per spiegarlo dobbiamo ricorrere al fenomeno della “diffusione” (sparpagliamento) della luce secondo il quale la luce che incontra le piccole molecole dell’aria – azoto, ossigeno, vapore acqueo eccetera – interagisce con esse, in parte venendo assorbita e in parte venendo sparpagliata in tutte le direzioni, diffondendosi appunto. Tali particelle atmosferiche diventano perciò nuove fonti luminose. Arriviamo al nodo centrale della questione: secondo la teoria di Rayleigh, l’intensità dello spargimento della luce cresce molto rapidamente con l’aumentare della frequenza dell’onda elettromagnetica ed è quindi molto più intensa per l’azzurro-violetto – onde di alta frequenza – piuttosto che per il rosso, caratterizzato da una frequenza inferiore. In sostanza le molecole di aria diventano nuove sorgenti di luce prevalentemente azzurra che si diffonde in ogni direzione, perciò anche verso i nostri occhi, mentre gli altri colori proseguono più indisturbati in linea retta. Così noi o vediamo la luce diretta biancastra del sole se guardiamo verso il suo disco oppure, se guardiamo in altre direzioni, ci giungono i suoi raggi diffusi prevalentemente blu provenienti dalle molecole dell’atmosfera, e questo dal momento che, lo diciamo ancora una volta, sono le tonalità azzurro-violette ad essere diramate con molta più intensità rispetto a quelle del rosso.
Fenomeno della diffusione prevalente dell’azzurro in atmosfera
Il fatto poi che ai nostri occhi prevalga l’azzurro rispetto al violetto dipende da due fattori, il primo dei quali è da ricercare nella maggiore sensibilità che il nostro occhio – nello specifico i coni della retina – ha nei confronti dell’azzurro, ed è dunque frutto della nostra percezione; in secondo luogo sta nel fatto che il violetto viene assorbito e diffuso di più negli strati alti dell’atmosfera, grazie alla sua maggiore frequenza, giungendo pertanto al suolo in minore intensità. Accettiamo quindi l’idea che gli occhi di molti animali, come le api, le renne e le aquile, avendo sensibilità maggiori delle nostre verso l’ultravioletto, vedano il cielo in modo assai diverso dal nostro.
Ricostruzione di come un’ape percepisca i colori in modo differente da noi
Tramonti rossi
È in base agli stessi principi fisici che si può spiegare perché il sole all’alba e al tramonto ci appare rossastro. Quando si trova basso all’orizzonte i suoi raggi devono attraversare uno spessore maggiore di atmosfera e così facendo si accentua il fenomeno della diffusione dei raggi di frequenza maggiori di quella del rosso lungo il tragitto. Dunque gli altri colori vengono in gran parte assorbiti e diffusi prima che possano raggiungere i nostri occhi e così la tonalità rossa risulta quella maggiormente indenne al filtraggio avvenuto nel lungo percorso radente in atmosfera.
Schema dei raggi del sole all’alba o al tramonto
Come appare il cielo sulla Luna?
Come tutti i principi fisici, anche quello della diffusione di Rayleigh dei raggi luminosi vale in tutto l’universo, a parità di condizioni. Tuttavia sono proprio le condizioni dell’atmosfera a cambiare sulla Luna o su altri pianeti. Ad esempio sulla Luna non c’è alcuna atmosfera perché la sua massa è troppo piccola per riuscire ad attirare e trattenere le molecole d’aria. L’assenza di atmosfera, e quindi la presenza del vuoto, fa decadere alla base i fenomeni di assorbimento-diffusione delle onde luminose da parte delle sue particelle poiché tali particelle non ci sono proprio. Perciò, mancando tali sorgenti di luce diffusa, il cielo ci apparirebbe ovunque nero tranne se guardassimo in direzione del disco solare che si mostrerà inalteratamente bianco come la luce emessa dallo stesso. Tale destino accomuna ogni corpo celeste privo di atmosfera.
Astronauti NASA sulla Luna nell’ultima missione Apollo 17 con il cielo nero sullo sfondo. Le ombre testimoniano che è stata scattata in pieno giorno
E il cielo su Marte?
Che dire invece dei colori dei raggi solari su altri pianeti, in primis su quelli del sistema solare, dotati di atmosfera? L’ovvia risposta è che tutto dipende dal tipo di atmosfera, visto che luce della nostra stella è pressoché la stessa per tutti. Ad esempio su Marte, non a caso chiamato il “Pianeta rosso”, l’atmosfera è costituita per il 96% da anidride carbonica, oltre che da una spruzzata di altri elementi come azoto e argon. Ma non è tanto la sua composizione a dettare le nuove condizioni quanto il fatto che essa è molto più sottile e rarefatta di quella terrestre, essendo la sua densità circa l’1% della nostra. Inoltre l’atmosfera dell’arido Marte è intrisa di grandi quantità di polveri rosse di ossido di ferro in sospensione, ben più grandi delle molecole dei gas, e questo fa sì che il fenomeno della diffusione della luce segua leggi differenti rispetto al modello di “Rayleigh”, aderendo a quello di “Mie”, in cui lo sparpagliamento della luce che colpisce queste polveri avviene con una intensità simile per tutti i colori; sicché la luce bianca solare dovrebbe restare biancastra ai nostri occhi qualora guardassimo il cielo diurno marziano, come accade per la diffusione generata dalle nubi terrestri sottili (in quanto formate per lo più da cristalli di ghiaccio di dimensione paragonabile a quella della polvere marziana). Il fatto che l’atmosfera di Marte appaia invece spesso giallo-rossastro durante il giorno, come testimoniano le immagini che continuamente ci giungono dai vari rover della Nasa a spasso da tempo sulla sua superficie, è dettato proprio dalla notevole presenza del pulviscolo rosso degli ossidi di ferro in circolazione nella sua aria.
Un selfie marziano – immagine di Marte scattata dal rover Curiosity della Nasa
