Perché il Cielo è Blu – Scattering di Rayleigh

Benvenuti amici di TiSuggerisco.com, oggi vogliamo rispondere a una domanda davvero molto comune: perché il cielo è blu?

Questo interrogativo ci viene spesso posto dai bambini, affascinati dal colore azzurro del cielo. In realtà non tutti sanno la risposta a tale apparentemente banale domanda!

A volte diamo infatti per scontato che il cielo sia blu, anche perché basta alzare gli occhi durante una giornata non troppo nuvolosa per accorgersi del bellissimo colore della volta celeste (appunto!).

Il fatto di interrogarci sul colore del cielo non fa altro che farci venire alla mente altre domande, come per esempio:

  • perché il Sole è giallo?
  • perché al tramonto il cielo si tinge di rosso?
  • perché le nuvole sono bianche?

Vediamo però prima di tutto di capire qual è il fenomeno fisico che determina il colore del cielo, spiegandolo in termini il più possibile semplici e comprensibili.

Perché il Cielo è Blu

Perché il Cielo è Azzurro?

Il cielo è azzurro perché le componenti blu e violetto della luce solare hanno lunghezze d’onda minori rispetto alle componenti rossa, arancione, gialla e verde. In virtù di questo, le radiazioni blu e violetto interagiscono molto di più con le piccole particelle di gas presenti nell’alta atmosfera, venendo da queste significativamente diffuse in tutte le direzioni.

In particolare l’azoto, preponderante nell’atmosfera terrestre, è in grado di diffondere la componente azzurra molto di più di quella arancione o rossa.

Bisogna anche aggiungere che il nostro occhio percepisce meglio la luce blu rispetto a quella viola. Il cielo ci appare quindi di un colore azzurro, dato che i fotoni con lunghezza d’onda nel blu giungono ai nostri occhi da tutte le direzioni.

Questo fenomeno è chiamato Scattering di Rayleigh, dal nome del fisico John William Strutt Rayleigh, che scoprì e formalizzò matematicamente il fatto che la diffusione di una radiazione che colpisce particelle di dimensioni inferiori alla propria lunghezza d’onda è fortemente dipendente dall’inverso della lunghezza d’onda stessa.

Perché il Tramonto è Rosso?

Ci si potrebbe a questo punto chiedere perché però al tramontare ma anche al sorgere del Sole sia la nostra stella che una parte del cielo risultano di una tonalità che va dall’arancione al rosso!

Per capire questo fenomeno, dobbiamo considerare che i raggi solari al tramonto devono attraversare uno spessore di atmosfera decisamente maggiore rispetto alle ore centrali della giornata, quando il Sole è più alto nel cielo.

Attraversare uno maggior strato di atmosfera implica che è maggiore anche il numero delle particelle di ogni genere che la luce incontra prima di giungere fino ai nostri occhi. Quando parliamo di “particelle di ogni tipo”, intendiamo quindi non solo molecole di gas ma anche polveri, vapore acqueo, inquinamento, ecc.

In queste condizioni la componente rossa è quella che riesce ad arrivare fino a noi in quantità più abbondante, proprio in virtù della sua lunghezza d’onda maggiore che permette a essa di passare attraverso un più elevato numero di particelle subendo uno scattering molto minore.

Le componenti con lunghezza d’onda più piccola, specialmente quelle violetta e blu ma anche la verde e la gialla, sono soggette a una dispersione maggiore e arrivano in misura molto minore fino ai nostri occhi.

Perché il Tramonto è Rosso?

Perché il Sole è Giallo?

In un altro articolo dove parlavamo delle dimensioni e di altre caratteristiche del Sole, abbiamo detto che la temperatura superficiale della nostra stella è di circa 5504 °C.

Tale temperatura superficiale fa si che la radiazione solare visibile ci appaia bianca. Questo non ci sorprende più di tanto, dato che abbiamo già capito che la luce solare è composta da radiazioni di diversa lunghezza d’onda (abbiamo spiegato le componenti cromatiche dei raggi solari anche in questo approfondimento sui colori dell’arcobaleno).

Però in una giornata serena il Sole tende ad apparirci giallognolo e non bianco, come mai?

Per capirlo dobbiamo tornare a quanto abbiamo descritto sopra, cioè alla dispersione maggiore subita dalle lunghezze d’onda del violetto e del blu. In pratica giungono fino a noi soprattutto i fotoni con lunghezze d’onda nel giallo, verde, arancione e rosso.

Probabilmente molti di noi sanno che unendo rosso e verde si ottiene proprio il colore giallo! Ecco quindi spiegato perché percepiamo i raggi solari come tendenti al giallo.

Unendo Rosso e Verde si Ottiene Giallo

Perché le Nuvole Sono Bianche?

Per capire perché le nuvole sono bianche occorre considerare che esse sono formate da un gran numero di microscopiche goccioline d’acqua, che a volte possono anche ghiacciare formando piccoli cristalli di ghiaccio.

Tali goccioline riflettono molto bene la luce solare, che già sappiamo essere bianca: ed ecco quindi spiegato perché anche le nuvole ci appaiono di questo colore.

In realtà, pensandoci bene, a volte le nuvole sono grigie o quasi nere! Pensiamo ad esempio a quando sta per venire un temporale… Da cosa dipende questo cambio di colore delle nuvole quando c’è brutto tempo?

Per capirlo, dobbiamo nuovamente ricorrere al già citato scattering di Rayleigh. Solitamente la pioggia trae origine da nuvole particolarmente spesse e dense (quelle sottili infatti tendono a non portare pioggia). Quando una nuvola è spessa, i raggi solari che la attraversano sono soggetti a una notevole diffusione, per cui gli strati più bassi risultano poco illuminati e quindi grigi.

Perché le Nuvole Sono Bianche?

Perché di Notte è Buio?

Ecco un’altra domanda che spesso ci fanno i più piccoli, ma la cui risposta è tutt’altro che banale!

Tutti sanno che, dopo il tramonto, la luce solare non giunge più a noi. Ma perché la luce di tutte le infinite stelle dell’Universo non illumina il cielo anche di notte? Perché la notte è buia?

Questo problema è noto come Paradosso di Olbers, dato che è stato formulato dall’astronomo Heinrich Wilhelm Olbers nel 1826.

Olbers partiva dal presupposto che l’Universo fosse infinito, esistesse da tempo infinito e fosse statico. In tali condizioni, la luce di tutte le stelle esistenti dovrebbe illuminare l’Universo uniformemente.

Oggi sappiamo che tali presupposti sono errati, e che l’Universo esiste dal momento del Big Bang (quindi da circa 13,7 miliardi di anni). Ma la cosa più importante è che l’Universo stesso è in espansione, e questo fa si che la luce emessa dalle stelle che si allontanano da noi subisca il fenomeno del redshift (letteralmente “spostamento verso il rosso”).

Per via del redshift la lunghezza d’onda della radiazione elettromagnetica emessa da una stella che si sta allontanando da noi tende ad aumentare. Il rosso è appunto il colore che corrisponde alle lunghezze d’onda maggiori che l’occhio umano può percepire, dopodiché si va nell’infrarosso (che non è più percepibile perché fuori dallo spettro del visibile).

Nel caso invece una stella si stia avvicinando a noi, la luce che essa emette si sposta verso il blu (cioè la lunghezza d’onda diminuisce).

In pratica, se l’emittente della radiazione luminosa si allontana, accade quanto segue:

  • la lunghezza d’onda della radiazione aumenta
  • la sua frequenza diminuisce
  • i fotoni perdono energia.

Proprio per questo motivo non siamo in grado di percepire la maggior parte della luce proveniente dalle stelle presenti nell’Universo, e il cielo notturno ci risulta quasi nero.

Di solito per spiegare il redshift si fa riferimento all’effetto Doppler e in particolare si cita l’esempio del suono della sirena di una ambulanza. Quando l’ambulanza si avvicina a noi, percepiamo il tono della sirena come più alto, mentre quando essa si allontana da noi sentiamo che il tono si abbassa. Allo stesso modo la luce visibile emessa dalle stelle che si stanno allontanando è soggetta a spostamento verso il rosso e giunge a noi fuori dallo spettro del visibile (quindi oltre le lunghezze d’onda proprie del rosso).

Redshift Cosmologico

Perché lo Spazio è Nero?

Ovviamente lo spazio cosmico ci appare nero per la medesima ragione (ad eccezione delle stelle visibili)!

E’ infatti ancora il redshift la ragione principale per cui lo spazio è buio.

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