Perché il cielo è azzurro?

2050-R40B
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NCS SS 2050-R40B
Perché il cielo è azzurro?
di Guglielmo Giani
P
erché il cielo è azzurro? Perché al
crepuscolo possiamo osservare i colori più
spettacolari che la natura ci può offrire? Da
dove vengono i rosso cremisi, rosso vermiglio, gli
arancioni tipici del tramonto o i porpora, i rosa
che possiamo osservare all’alba?
Per millenni l’uomo si é interrogato sulla causa di
questi fenomeni, Leonardo da Vinci per esempio
aveva osservato come l’acqua nebulizzata creasse
una luce diffusa ma senza riuscirne a spiegare il
motivo. Dobbiamo arrivare fino alla metà del 1800
per trovare teorie che descrivano i fenomeni di
diffusione della luce.
Fu John Tyndall (1820 - 1893), fisico inglese, a
dimostrare in laboratorio che l’intensità della
diffusione della luce da parte di particelle colloidali
in sospensione è in funzione della lunghezza
d’onda. Tali liquidi diffondevano di più le onde
corte e molto meno le onde lunghe. Un
esperimento che tutti possiamo realizzare in casa,
é quello di versare qualche goccia di latte in un
bicchiere di acqua e osservare come la luce del
sole, diffusa dal liquido, appaia più gialla in
direzione del sole e più blu perpendicolarmente
alla direzione del sole. Questo avviene perché la
soluzione degli acidi grassi del latte, acido
palmitico e acido oleico, formano una soluzione
colloidale quando sospesi in acqua. Il latte stesso
é una soluzione colloidale, ma troppo densa per
causare la diffusione di Tyndall.
Qualche anno più tardi Lord Rayleigh -John
William Strutt, terzo barone di Rayleigh (18421919), teorizzò che non erano necessarie
particelle diffuse in un fluido per diffondere la
luce, dato che anche la sostanza più pura ha
micro fluttuazioni delle densità localizzate che si
comportano come particelle molto più piccole di
una lunghezza d’onda della luce. Lord Rayleigh
dimostrò che l’intensità della luce diffusa varia
inversamente con la quarta potenza della
lunghezza d'onda. Quindi minore é la lunghezza
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d’onda della luce incidente maggiormente essa
verrà diffusa, viceversa maggiore é la lunghezza
d’onda più facilmente la luce riuscirà a viaggiare
seguendo una linea retta senza disturbo. Per
capire quanto vari la diffusione della luce fra gli
estremi dello spettro del visibile: fatta 100 la
quantità di luce violetta diffusa (onde
corte≃380nm) la quantità di luce rossa diffusa
(≃760nm) è 10,7.
Sopra:
Diffusione di Rayleigh - La Valletta, Malta
Quindi cosa avviene quando la luce del sole
raggiunge la terra? La luce solare attraversando
l’atmosfera interagisce con singole molecole
componenti l’atmosfera e con gruppi di molecole
che vengono casualmente a formarsi e viene
diffusa secondo la legge di Rayleigh. Le onde
lunghe, che percepiamo come colori caldi,
raggiungono direttamente il nostro occhio
seguendo un linea retta, mentre le onde corte
vengono diffuse più e più volte dall’atmosfera ed
alla fine parte di esse raggiungono il nostro
occhio. Il sole, che se osservato dallo spazio
risulta bianco, visto dalla terra risulta giallastro
perché la componente blu viene diffusa nella
atmosfera dando al cielo la propria colorazione
caratteristica. Questa é la causa del cielo
azzurro.
Perché il cielo è azzurro?
Nel 1985 Craig Bohren e Alstair Fraser,
dell’Università della Pennsylvania, hanno sollevato
e poi risolto un’obiezione alla legge di Rayleigh. Se
l’intensità della diffusione della luce nell’atmosfera
é in funzione della lunghezza d’onda, il cielo
dovrebbe apparirci violetto, colore all’estremo
dello spettro e non blu. La risposta al loro quesito
è data da due fattori. Il primo é che lo spettro
solare é più intenso nel blu che nel violetto e il
secondo é che l’occhio é maggiormente sensibile
alla luce blu che a quella violetta. Questi due
fattori moltiplicati insieme fanno si che l’intensità
relativa della luce blu sia all’incirca 20 volte più
intensa di quella violetta, di conseguenza per
quanto la luce violetta possa essere diffusa di più
di quella blu, i nostri occhi percepiranno sempre il
cielo di colore blu.
Cosa avviene al tramonto?
Man mano che il sole si abbassa sull’orizzonte la
luce solare deve attraversare una maggiore
quantità di atmosfera, questo fa si che aumentino
le probabilità che vengano diffuse anche onde più
lunghe del blu. Più è lungo il tratto di atmosfera
che la luce solare deve attraversare, più onde
vengono diffuse: prima il blu e il violetto, poi il
verde e infine il giallo, lasciando il sole di un rosso
aranciato.
La legge di Rayleigh funziona perfettamente per
particelle molto più piccole di una lunghezza
d’onda ma non é in grado di descrivere quello che
succede alla luce quando deve attraversare una
sostanza con in sospensione particelle molto più
grandi di una lunghezza d’onda, in questo caso si
applica una teoria derivata dal fisico tedesco
Gustav Mie (1869 - 1957). La diffusione di Mie é
molto più complessa della diffusione di Rayleigh:
la luce é diffusa in un cono proiettato in avanti e
non ha un colore dominante ma sono presenti
bande di diversi colori, anche verde e rosso, in
base all’angolo di osservazione e alla dimensione
delle particelle. Se le particelle in sospensione
sono molto più grandi di una lunghezza d’onda si
ha una diffusione generale della luce che crea il
caratteristico bagliore bianco delle nuvole e della
nebbia.
Se per calcolare l’intensità della diffusione di
Rayleigh è sufficiente un’equazione molto
semplice risolvibile con una calcolatrice, per la
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diffusione di Mie, soprattutto se applicata a
particelle non sferiche, come agenti inquinanti o
aerosol, sono necessarie insiemi di computer
molto potenti.
Sotto:
Diffusione di Mie causata da formazione di cumuli mediocris Swifts Creek, Australia
Ci sono casi in cui la natura si manifesta con
fenomeni del tutto inaspettati ma i cui effetti sono
affascinanti quanto un tramonto, se non di più.
Ciò avvenne, per esempio, nel 1883, anno in cui
eruttò, o meglio, esplose il Krakatoa, famoso
vulcano indonesiano. L’esplosione, calcolata
intorno ai 200 megatoni (1300 volte più intensa
della bomba di Hiroshima) distribuì nell’aria 21
chilometri cubi, fra ceneri e pomice, che andarono
a distribuirsi in tutta l’atmosfera terrestre
causando spettacolari, e alquanto incredibili, albe
e tramonti per i mesi successivi. Le popolazioni in
giro per il mondo poterono osservare il sole e la
luna di colore verde/blu all’alba e al tramonto.
É stato calcolato che la dimensione delle particelle
che rimasero sospese nell’atmosfera erano tali da
causare una diffusione della luce rossa, lasciando
ai raggi verdi e blu di attraversare l’aria
indisturbati. Man mano che il sole o la luna si
avvicinavano all’orizzonte la componente blu della
luce veniva diffusa secondo la legge di Rayleigh, e
i tramonti si manifestavano con i dischi solari e
lunari di un verde intenso. Il sole e la luna
verdi/blu furono osservati anche in Europa nel
settembre del 1950 a causa di devastanti incendi
nelle foreste del Canada.
Perché il cielo è azzurro?
Sotto:
Sole blu causato dallo smog presente nell'aria - Piana di Giza,
Il Cairo, Egitto
L’espressione anglosassone “Once in a blue moon
- Ogni luna blu”, che corrisponde al nostro modo
dire “Ogni morte di papa”, si riferisce alla rarità
con cui si manifestano questi avvenimenti.
Sicuramente negli anni a venire la scienza scoprirà
ancora di più sulle leggi naturali che governano
tutti i fenomeni a cui possiamo assistere se
osserviamo il cielo, ma fortunatamente possiamo
dire che ancora oggi l’uomo si fa umile davanti
all’infinito splendore di un tramonto.1 2 
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Area Tematica COLORE E SCIENZA
I colori che normalmente percepiamo nascono da fenomeni fisici che avvengono continuamente intorno a
noi ai livelli più microscopici della materia. Nell’area COLORE E SCIENZA analizzeremo, in chiave
divulgativa, i processi che sono alla base di alcuni dei più curiosi e affascinanti effetti relativi al colore.
1
G. Wyszecki, W. S.Styles, Color Science, 2° Ed., John Wiley &
Sons, 2000
2
K. Nassau, The Physics and Chemistry of Color, 2° Ed., John
Wiley & Sons, 2001
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