Nel blu, dipinto di blu - Dipartimento di Fisica

Nel blu, dipinto di blu …
Caro Professor Peruso,
mi viene da pensare, ora che è estate, al colore del cielo. E’ fatto d’aria, ma l’aria è trasparente. E la luce del
sole è bianca! Ma allora da dove viene il blu che vediamo (almeno se non ci sono nubi)? Grazie dell’aiuto e
buone vacanze!
Domenico Malpensa
Beh, posta in questo modo, la domanda preoccupa un po’. Tutte le cose che Domenico dice sono verissime,
per cui ci deve essere il trucco da qualche parte … ma dove? Come al solito, andiamo con ordine.
Anzitutto l’aria, trasparente lo è, ma fino ad un certo punto. Dobbiamo ricordare che essa (come tutti i gas o i
miscugli di gas) è composta da piccolissime particelle, atomi o molecole, che guizzano allegramente qua e là
senza mai stancarsi. Queste particelle, quando vengono investite dalla luce del sole, un po’ la lasciano
passare: non c’è dubbio che questo accada, altrimenti non potremmo leggere queste parole scritte sul
giornale, né vedere molte cose a varie distanze, cosa che invece possiamo fare benissimo. Insomma, l’aria
che si frappone fra i nostri occhi e l’oggetto osservato non è molto “opaca”. Però la storia è un po’ più
complicata. Le particelle d’aria sono anche capaci di deviare la luce dal suo percorso originale, un po’ come
farebbero dei paletti conficcati sul tappeto del tavolo da biliardo nei confronti delle biglie lanciate in
determinate direzioni: i paletti sono ostacoli che cambiano la direzione di moto delle biglie. Questo
fenomeno, detto dagli scienziati “diffusione” della luce, è molto comune e permette, ad esempio, di spiegare
perché certi oggetti sono bianchi quando vengono illuminati dalla luce solare. Degli esempi noti a tutti sono i
fogli di carta bianca, le superfici innevate e le nubi del cielo.
Esiste però un caso di diffusione della luce molto speciale che avviene quando gli ostacoli che si
frappongono al cammino dei raggi luminosi sono molto piccoli. Molto piccoli significa che le loro
dimensioni devono essere minori della “lunghezza d’onda” della luce. Per farla breve: in altre occasioni ho
già spiegato che la luce, da certi punti di vista almeno, può e deve essere pensata come un’onda (di natura
elettromagnetica, direbbero gli scienziati), ovvero come un’oscillazione che si ripete eguale a sé stessa nello
spazio e nel tempo. La distanza fra due creste consecutive dell’onda di luce è la sua lunghezza d’onda. Si
scopre che, al variare di questa lunghezza, varia il colore da noi percepito della luce: da lunghezze di circa 4
decimi di millesimo di millimetro a circa 7 decimi di millesimo di millimetro (che i fisici preferiscono
abbreviare come 400 oppure 700 “nanometri”) si hanno colorazioni che passano dal violetto, attraverso il
blu, verde, giallo fino al rosso (uscendo da questo intervallo si hanno radiazioni “ultraviolette”, per
lunghezze d’onda minore di 400 nanometri, e radiazioni “infrarosse”, per lunghezze d’onda maggiori di 700
nanometri. Le prime ci fanno abbronzare, le seconde ci scaldano di fronte ad una stufa elettrica, per
intenderci).
Ora, succede che la luce viene deviata o diffusa in modo differente a seconda del suo colore, ossia della sua
lunghezza d’onda, quando come sopra accennato ciò che causa la diffusione è molto piccolo rispetto la
lunghezza d’onda. Si osserva che le molecole dell’aria sono in grado di diffondere molto più decisamente la
luce viola di quella rossa. Ovvero minore lunghezza d’onda implica maggiore diffusione, la luce viola è
deviata di più di quella blu, quella blu di più di quella verde, e così via: la luce rossa è quella deviata di
meno. Questo tipo di diffusione che, ripeto, avviene con particelle più piccole delle lunghezze d’onda della
luce, è nota ai fisici come “diffusione cromatica di Rayleigh” ed è la chiave per interpretare il colore del
cielo (e non solo).
La luce che viene dal sole, dice Domenico, è bianca. Vero, ma il bianco è il nostro modo di interpretare una
miscela di colori, ovvero di lunghezze d’onda, che investono il nostro occhio. Dunque la luce che investe
l’atmosfera va immaginata come un fiotto di oscillazioni di varie lunghezze d’onda e che dunque vengono
diversamente deviate nel loro cammino dalle molecole dell’aria. La luce violetta viene diffusa moltissimo e
dunque riempie il cielo in direzione perpendicolare a quella di propagazione della luce solare. Ma il nostro
occhio è poco sensibile al viola, per cui … non vediamo questa luce. Segue a ruota il blu: diffuso molto
anch’esso, si ritrova a viaggiare verso i nostri occhi “abbandonando” il raggio di luce bianca che aveva
solcato il cielo sopra di noi. Ecco che ai nostri occhi arriva, soprattutto lontano dalla direzione del sole, luce
blu: gli altri colori sono diffusi sempre meno, secondo la teoria di Rayleigh (che funziona!), e dunque
vediamo il cielo blu. A meno che non vi siano altre particelle nell’aria che modifichino questo meccanismo.
Ad esempio quando c’è molta umidità oppure polveri dovute allo smog. In questi casi le particelle che
diffondono la luce sono molto più grandi delle molecole dell’aria, e la diffusione diventa come quella che si
osserva nelle nubi o nel fumo di un incendio, ossia tutta la luce (tutti i suoi colori) sono egualmente diffusi e
vediamo un colore biancastro lattiginoso ovunque (si parla allora di diffusione “acromatica”). Il cielo è blu,
in pratica, perché l’atmosfera “sparpaglia” verso di noi più luce blu che di altri colori.
Ecco spiegato dunque anche il motivo
per il quale gli astronauti in orbita
vedono un cielo perfettamente nero:
dove non c’è aria non c’è diffusione, e
solo guardando verso il sole si vede
luce! A questo punto però non posso
resistere
ed
aggiungo
una
considerazione che mi pare utile per
capire ancora meglio cosa succede
nella nostra atmosfera illuminata dal
sole. Avete sicuramente presente i
meravigliosi colori dell’alba o del
tramonto, almeno in certe condizioni.
Le tinte rossastre che assume il cielo in
questi casi sono ancora spiegabili
facilmente
tenendo
presente
il
fenomeno della diffusione cromatica di
Rayleigh. Al tramonto (o all’alba) si
osserva la luce del sole che ci perviene
bassa all’orizzonte, ossia quand’essa ha
attraversato un lungo tratto di
atmosfera per giungere ai nostri occhi. Durante questo lungo viaggio, il fenomeno di diffusione del colore
blu continua ad avvenire, solo che ora stiamo guardando “verso” il raggio luminoso e non “di fianco” ad
esso. Dunque stiamo osservando un raggio dal quale molto colore blu è stato tolto dalla diffusione cromatica
e che per questo motivo si ritrova “sbilanciato” verso il rosso, arricchito di questa componente di colore. La
stessa cosa la potete notare guardando il sole o una luce bianca attraverso una cortina di fumo, magari quella
causata da delle sterpaglie incendiate.
Termino la mia risposta (che spero sia chiara a sufficienza) proponendovi un semplicissimo ma interessante
esperimento, con il quale potete provare a costruire un piccolo cielo, compreso di tramonto, in casa. Basta
prendere un contenitore trasparente pieno d’acqua (magari un piccolo acquario, o qualcosa di simile) e
sistemare una torcia elettrica (l’ideale sarebbe un proiettore per diapositive o una lampada alogena) in modo
da illuminare l’acqua lateralmente. Meglio se riuscite ad oscurare la stanza dove vi trovate. Aggiungete poi
all’acqua una piccola quantità di latte, poche gocce alla volta, mescolando. Ad un certo punto vedrete che la
colorazione della luce della lampada viene diffusa dappertutto ed assume una colorazione azzurrina: le
particelle di latte sospese nell’acqua fanno esattamente ciò che fanno le molecole d’aria nel cielo sopra di
noi! Inoltre, guardando verso la luce che entra nell’acqua, dovreste osservare una colorazione rossastra: è
proprio ciò che accade al tramonto o all’alba, quando siamo costretti, per la posizione del sole, ad osservare i
colori ben noti attorno o vicino ad esso.
Mi accorgo ora che la domanda che Domenico mi ha posto mi permette di sfoggiare anche la mia passione
per la musica e le belle canzoni italiane: “nel blu dipinto di blu” per partire, “il cielo in una stanza” nel
piccolo esperimento che vi ho proposto. Buon divertimento e speriamo che le vacanze ci regalino davvero un
cielo blu, ma sopratutto sereno.
[A cura di Stefano Oss]