La combinazione di un cielo blu, scuro in alto, più chiaro vicino all’orizzonte, insieme a un sole arrossato… all’alba o al tramonto, può essere spiegato scientificamente. Ecco come.
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Una delle prime domande che un bambino curioso fa spesso sul mondo naturale è “perché il cielo è blu?” Eppure, nonostante la diffusione di questa domanda, ci sono molte idee sbagliate e risposte errate – perché riflette l’oceano; perché l’ossigeno è un gas di colore blu; perché la luce del sole ha una tinta blu – mentre la risposta giusta è spesso completamente trascurata. In verità, il motivo per cui il cielo è blu è dovuto a tre semplici fattori messi insieme: che la luce del sole è fatta di luce di molte lunghezze d’onda diverse, che l’atmosfera terrestre è fatta di molecole che disperdono la luce di diverse lunghezze d’onda in quantità diverse, e la sensibilità dei nostri occhi. Metti insieme queste tre cose e un cielo blu è inevitabile. Ecco come stanno le cose.
La luce di molte lunghezze d’onda diverse, non tutte visibili, viene emessa dal Sole. L’atmosfera… influenza ogni lunghezza d’onda unica in modo diverso, con conseguente suite completa di fenomeni ottici che possiamo osservare.
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La luce del sole è fatta di tutti i diversi colori della luce… e poi alcuni! La fotosfera del nostro Sole è così calda, a quasi 6.000 K, che emette un ampio spettro di luce, dall’ultravioletto alle energie più alte e nel visibile, dal violetto fino al rosso, e poi in profondità nella porzione infrarossa dello spettro. La luce ad alta energia è anche la luce di lunghezza d’onda più corta (e ad alta frequenza), mentre la luce a bassa energia ha lunghezze d’onda più lunghe (e basse frequenze) rispetto alle controparti ad alta energia. Quando vedi un prisma dividere la luce del sole nelle sue singole componenti, la ragione per cui la luce si divide è dovuta al fatto che la luce più rossa ha una lunghezza d’onda maggiore della luce più blu.
Animazione schematica di un fascio continuo di luce che viene disperso da un prisma. Se tu avessi occhi ultravioletti… e infrarossi, saresti in grado di vedere che la luce ultravioletta si piega ancora di più della luce viola/blu, mentre la luce infrarossa rimarrebbe meno piegata della luce rossa.
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Il fatto che la luce di diverse lunghezze d’onda risponde diversamente alle interazioni con la materia si rivela estremamente importante e utile nella nostra vita quotidiana. I grandi fori nel tuo microonde permettono alla luce visibile di lunghezza d’onda corta di entrare e uscire, ma tengono dentro la luce a microonde di lunghezza d’onda più lunga, riflettendola. I sottili rivestimenti dei tuoi occhiali da sole riflettono la luce ultravioletta, violetta e blu, ma lasciano passare i verdi, i gialli, gli arancioni e i rossi di lunghezza d’onda maggiore. E le minuscole particelle invisibili che compongono la nostra atmosfera – molecole come l’azoto, l’ossigeno, l’acqua, l’anidride carbonica, così come gli atomi di argon – disperdono la luce di tutte le lunghezze d’onda, ma disperdono la luce di lunghezza d’onda più corta in modo molto più efficiente.
Quando il Sole è alto sopra la testa, il cielo verso lo zenit è un blu molto più scuro, mentre il cielo… verso l’orizzonte è un colore ciano più chiaro e luminoso. Questo è dovuto alla maggiore quantità di atmosfera, e alla maggiore quantità di luce diffusa, che è visibile ad angoli bassi sul cielo.
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Perché queste molecole sono tutte molto più piccole della lunghezza d’onda della luce stessa, più corta è la lunghezza d’onda della luce, meglio si disperde. Infatti, quantitativamente, obbedisce a una legge nota come dispersione di Rayleigh, che ci insegna che la luce viola al limite della lunghezza d’onda corta della visione umana si disperde più di nove volte più spesso della luce rossa al limite della lunghezza d’onda lunga. (L’intensità di dispersione è inversamente proporzionale alla lunghezza d’onda alla quarta potenza: I ∝ λ-4.) Mentre la luce del sole cade ovunque sul lato giorno dell’atmosfera terrestre, le lunghezze d’onda più rosse della luce hanno solo l’11% di probabilità di disperdersi, e quindi di arrivare ai tuoi occhi, come la luce viola.
Alcuni materiali opalescenti, come quello mostrato qui, hanno proprietà di diffusione di Rayleigh simili a… l’atmosfera. Con la luce bianca che illumina questa pietra dall’alto a destra, la pietra stessa disperde la luce blu, ma permette alla luce arancione/rossa di passare preferenzialmente attraverso senza ostacoli.
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Quando il Sole è alto nel cielo, questo è il motivo per cui l’intero cielo è blu. Appare un blu più luminoso quanto più lontano dal Sole si guarda, perché c’è più atmosfera da vedere (e quindi più luce blu) in quelle direzioni. In qualsiasi direzione si guardi, si può vedere la luce diffusa proveniente dalla luce del sole che colpisce tutta l’atmosfera tra i nostri occhi e dove inizia lo spazio esterno. Questo ha alcune conseguenze interessanti per il colore del cielo, a seconda di dove si trova il Sole e dove stai guardando.
Da altitudini molto elevate nei cieli pre-alba o post-tramonto, si può vedere uno spettro di colori,…. causato dalla dispersione della luce solare, più volte, da parte dell’atmosfera.
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Se il Sole è sotto l’orizzonte, la luce deve viaggiare attraverso grandi quantità di atmosfera. La luce più blu viene dispersa in tutte le direzioni, mentre la luce più rossa è molto meno probabile che venga dispersa, il che significa che arriva ai tuoi occhi. Se siete mai su un aereo dopo il tramonto o prima dell’alba, è possibile ottenere una vista spettacolare di questo effetto.
L’atmosfera della Terra, come visto durante il tramonto nel maggio del 2010 dalla Stazione Spaziale Internazionale.
NASA / ISS
È una vista ancora migliore dallo spazio, dalle descrizioni e anche dalle immagini che gli astronauti hanno restituito.
Con una grande quantità di atmosfera da attraversare, la luce del Sole (o della Luna) si arrossa enormemente… quando è vicino all’orizzonte. Più lontano dal Sole, il cielo diventa gradualmente più blu.
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Durante l’alba/il tramonto o l’alba/il tramonto della Luna, la luce proveniente dal Sole (o dalla Luna) deve attraversare un’enorme quantità di atmosfera; più è vicino all’orizzonte, più atmosfera deve attraversare la luce. Mentre la luce blu si disperde in tutte le direzioni, la luce rossa si disperde in modo molto meno efficiente. Questo significa che sia la luce del disco del Sole (o della Luna) stesso diventa di colore rossastro, ma anche la luce proveniente dalle vicinanze del Sole e della Luna – la luce che colpisce l’atmosfera e si disperde solo una volta prima di raggiungere i nostri occhi – è preferibilmente arrossata in quel momento.
L’eclissi totale, come si vede a Madras, Oregon in questa foto, ha portato non solo a una spettacolare… vista del Sole, ma dell’orizzonte che circonda tutti nel percorso della totalità.
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E durante un’eclissi solare totale, quando l’ombra della Luna cade su di te e impedisce alla luce solare diretta di colpire ampie sezioni dell’atmosfera vicino a te, l’orizzonte diventa rosso, ma nessun altro posto. La luce che colpisce l’atmosfera al di fuori del percorso della totalità si disperde in tutte le direzioni, ed è per questo che il cielo è ancora visibilmente blu nella maggior parte dei luoghi. Ma vicino all’orizzonte, quella luce che viene dispersa in tutte le direzioni è molto probabile che venga dispersa di nuovo prima che raggiunga i vostri occhi. La luce rossa è la lunghezza d’onda della luce più probabile che passi, superando alla fine la luce blu, più efficacemente diffusa.
Lo scattering Rayleigh colpisce la luce blu più gravemente della rossa, ma delle lunghezze d’onda visibili,… la luce viola è quella che si disperde di più. È solo a causa della sensibilità dei nostri occhi che il cielo appare blu e non viola.
Volo di draghi / KES47 di Wikimedia Commons
Detto questo, avrete probabilmente un’altra domanda: se la luce di lunghezza d’onda più corta viene diffusa in modo più efficiente, perché il cielo non appare viola? In effetti, c’è effettivamente una maggiore quantità di luce viola proveniente dall’atmosfera rispetto alla luce blu, ma c’è anche un mix di altri colori. Poiché i tuoi occhi hanno tre tipi di coni (per rilevare il colore), insieme ai bastoncelli monocromatici, sono i segnali di tutti e quattro che devono essere interpretati dal tuo cervello quando si tratta di assegnare un colore.
La risposta luminosa dell’occhio umano, normalizzata, in termini dei tre tipi di coni e (linea tratteggiata… line) i bastoncelli monocromatici.
George Wald / Hektoen International Journal
Ogni tipo di cono, più i bastoncelli, sono sensibili alla luce di diverse lunghezze d’onda, ma tutti vengono stimolati in qualche misura dal cielo. I nostri occhi rispondono più fortemente alle lunghezze d’onda della luce blu, ciano e verde che al violetto. Anche se c’è più luce violetta, non è sufficiente a superare il forte segnale blu che il nostro cervello emette.
L’attrazione gravitazionale dei gas nella nostra atmosfera causa una notevole pressione superficiale, dando… origine agli oceani liquidi. Credito d’immagine: .
NASA Goddard Space Flight Center Immagine di Reto Stöckli, satellite Terra / strumento MODIS
È quella combinazione di tre cose insieme:
- il fatto che la luce del sole è fatta di luce di molte lunghezze d’onda diverse,
- che le particelle atmosferiche sono molto piccole e disperdono la luce di lunghezza d’onda più corta molto più efficacemente della luce di lunghezza d’onda più lunga,
- e che i nostri occhi hanno le risposte che hanno ai vari colori,
che fa apparire il cielo blu agli esseri umani. Se potessimo vedere nell’ultravioletto in modo molto efficiente, il cielo apparirebbe probabilmente più violetto e ultravioletto; se avessimo solo due tipi di coni (come i cani), potremmo vedere il cielo blu durante il giorno, ma non i rossi, arancioni e gialli del tramonto. Ma non fatevi ingannare: quando guardate la Terra dallo spazio, è anche blu, ma l’atmosfera non c’entra niente!