Il cielo azzurro

Cerco di rispondere nel modo più completo e chiaro possibile ad una domanda che mi è stata posta in una classe da alcune ragazze, probabilmente incuriosite da uno dei temi di giovedìscienza di quest’anno, rivolto alle scuole: PERCHé IL CIELO è AZZURRO? che verrà affrontato da
Bice Fubini, giovedì 12 febbraio 2009, ore 10.00 solo su prenotazione per le classi della Scuola Materna, al Teatro Colosseo di Torino, in via Madama Cristina 71.Sappiamo già (vedi anche uno dei post precedenti, novembre 2008, sul blog di scienza della materia: http://scienza_materia.blog.tiscali.it//La_dispersione_della_luce_1942532.shtml ) che la luce visibile è apparentemente di color bianco e proviene dal Sole. Sappiamo anche che la luce è composta dalla sovrapposizione di onde elettromagnetiche di diverse lunghezza d’onda che variano dai 380 nm (nanometri) della radiazione che percepiamo come violetta, fino ai 720 nm della radiazione rossa, passando per tutti gli altri colori dell’arcobaleno(blu, verde, giallo, arancio) [ricorda: 1 nanometro (nm) = 1 milionesimo di millimetro, cioè 10^-6 mm]. Quando i raggi solari raggiungono la Terra, avvolta dall’atmosfera, interagiscono con questo strato gassoso che sappiamo essere composto da elementi e sostanze diverse. Sappiamo che l’aria è trasparente, ma questo è vero fino ad un certo punto perché è composta da miscugli di gas e altre particelle. I risultati di questa interazione luce-atmosfera dipendono dalla lunghezza d’onda delle diverse componenti della luce visibile, dalle dimensioni e dalla natura delle particelle colpite.

Quando la luce colpisce particelle molto più grandi della sua lunghezza d’onda (pulviscolo atmosferico, goccioline d’acqua, …), viene riflessa in tutte le direzioni, indipendentemente dalla lunghezza d’onda dei vari colori componenti.

Quando invece la luce colpisce le molecole di gas atmosferici (N₂, O₂, CO₂, O₃, …), si comporta in modo diverso a seconda della lunghezza d’onda che la compone. In particolare la componente rossa ha una lunghezza d’onda maggiore (circa 700 nm) e tende a "superare" queste particelle più piccole "ignorandole". Quindi la radiazione rossa interagisce poco con l’atmosfera e a grandi linee segue la sua direzione iniziale propagandosi quasi normalmente. La componente blu o violetta invece, avendo una lunghezza d’onda che è quasi la metà (380-400 nm) di quella rossa, è influenzata non poco dalla presenza di queste molecole di gas e viene riflessa in tutte le direzioni. Questa diffusione di una parte delle componenti della radiazione luminosa dipende dalla lunghezza d’onda delle stesse e, in onore a lord John Rayleigh, il fisico inglese che per primo la descrisse nella seconda metà dell’Ottocento, viene chiamata "Rayleigh scattering" o "diffusione cromatica di Rayleigh". In altre parole la luce viene deviata o diffusa in modo differente a seconda del suo colore, ossia della sua lunghezza d’onda.

 

In generale, la quantità di luce diffusa è inversamente proporzionale alla quarta potenza della lunghezza d’onda. La maggior parte delle radiazioni rosse attraversano l’atmosfera proseguendo la loro traiettoria rettilinea. Viceversa la radiazione violetta-blu-azzurra viene riflessa e diffusa in tutte le direzioni e a noi osservatori, dalla Terra, mostra il cielo nel suo colore blu o azzurro. Il cielo osservato dagli astronauti in orbita intorno alla Terra invece appare nero, perché non ci sono le particelle dell’aria e non c’è diffusione. La luce si vedrà solo guardando verso il Sole o verso la Terra che la riflette. Le nuvole e la nebbia o la scia lasciata dagli aerei di linea d’alta quota (circa 10.000 – 12.000 m) ci appaiono bianche perché essendo costituite da particelle più grandi della lunghezza d’onda della luce visibile, riflettono tutte le componenti della luce. Al tramonto del Sole, i raggi solari per raggiungere i nostri occhi devono attraversare uno strato decisamente maggiore di atmosfera. La componente blu che riesce ad attraversarla è poca mentre quella rossa non viene deviata: il Sole e il cielo assumono una colorazione più o meno rossastra proprio perché molto colore blu è stato tolto dalla diffusione cromatica. La stessa colorazione rossastra si può notare quando osserviamo il Sole o il cielo attraverso il fumo di un incendio. Nella foto associata al post: crepuscolo sulle coste della Sardegna.