La maggior parte di ciò che c’è tra noi e lo spazio è aria, che è composta da molecole molto piccole, quella che tutti noi chiamiamo atmosfera. Ci sono anche quantità variabili di altre cose che la compongono, e sono: aerosol, polvere, foschia, nuvole, fumo e così via.
La luce del sole deve passare attraverso queste molecole per raggiungere la superficie della terra. Ma parte della luce non ce la fa, o se arriva in superficie, vi arriva indirettamente.
Come mai? Perché la luce – o più precisamente, parte della luce – viene dispersa nell’atmosfera.
La luce visibile è un’onda elettromagnetica di una gamma piuttosto ristretta di lunghezze d’onda (circa 390-700 nanometri, dove 1 nanometro è 1 miliardesimo di metro) nello spettro completo. Questo spettro elettromagnetico abbraccia le lunghezze d’onda molto lunghe della radio fino alle lunghezze d’onda estremamente corte dei raggi gamma.
All’interno della porzione visibile dello spettro, la luce rossa ha una lunghezza d’onda maggiore del blu: 650 nm contro 450 nm.
La luce a lunghezza d’onda più corta è a sinistra con la luce a lunghezza d’onda più lunga a destra. Wikimedia Commons
Quando la luce viene dispersa nell’atmosfera, la quantità di dispersione e l’angolo con cui viene dispersa dipendono dalla lunghezza d’onda e dalle dimensioni dello scatterer (dispersione o diffusione).
Se la dimensione dello scatterer è significativa rispetto alla lunghezza d’onda della luce che viene dispersa, anche la forma dello scatterer diventa importante.
Le molecole
Le molecole sono gli scatterer più piccoli, essendo circa un fattore per 1.000 inferiori alla lunghezza d’onda della luce visibile. Per queste molecole – come l’azoto gassoso (N2) che costituisce il 78% dell’atmosfera – la dipendenza dello scattering dalla lunghezza d’onda corrisponde alla quarta potenza inversa della lunghezza d’onda.
Cioè, confrontando il blu con il rosso, prendiamo il rapporto di lunghezza d’onda (650/450) e lo aumentiamo alla quarta potenza per calcolare quanto più è probabile (4,3 volte) che il blu sarà disperso di più rispetto al rosso.
Se guardi lontano dal sole, la luce blu che viaggia dal sole attraverso l’atmosfera terrestre (ma non direttamente verso di te) viene dispersa dalle molecole verso i tuoi occhi.
Quindi il cielo appare blu perché la dispersione dalle molecole è molto più probabile per la luce blu che per la rossa.
C’è così tanta luce blu da qualsiasi direzione che domina completamente la luce delle stelle.
Se ti avvicini abbastanza allo spazio, vedresti che il cielo è nero e non blu. Questo perché non c’è nulla nello spazio che disperda la luce del sole.
Al contrario, se guardi attraverso un’atmosfera pulita (senza polvere o fumo) verso il sole, una quantità significativa di luce blu viene dispersa lontano dalla linea visiva, che tende a dare al sole una tonalità giallastra.
Questo tipo di dispersione, quando lo scatterer è considerevolmente più piccolo della lunghezza d’onda della luce, viene solitamente chiamato “scattering di Rayleigh“.
Il cielo al tramonto
Verso il tramonto, il percorso che la luce del sole intraprende nell’atmosfera è particolarmente lungo. In questo caso, si perde così tanta luce blu (dispersa nell’atmosfera) che il sole appare arancione o addirittura rosso.
Le goccioline d’acqua e i cristalli di ghiaccio che compongono le nuvole sono piuttosto grandi rispetto alla lunghezza d’onda della luce visibile (almeno 20 volte maggiore). In questo caso la diffusione della luce è forte e quasi indipendente dalla lunghezza d’onda, almeno nell’intervallo di luce visibile.
Poiché quasi tutte le lunghezze d’onda della luce visibile sono sparse, le nuvole appaiono bianche o con sfumature di grigio neutro variabili se si trovano all’ombra di altre nuvole.
Se si considera la dipendenza dalla lunghezza d’onda dello scattering per particelle di medie dimensioni, si scopre che per un intervallo di lunghezze d’onda ristretto la dipendenza si inverte per un po’. Cioè, in questo intervallo – che può essere ampio quanto lo spettro visibile – lo scattering è più forte per lunghezze d’onda più lunghe, anziché più debole.
È possibile che la dimensione delle particelle sia giusta perché ciò avvenga nello spettro visibile. In questo caso la luce solare che passa attraverso l’aria con queste particelle sospese ha una luce rossa dispersa lasciando il sole (o la luna) con un aspetto bluastro.
Questo è raro, ma è successo a volte quando vulcani o incendi boschivi caricano l’atmosfera con particelle della giusta dimensione.
Il cielo su Marte
A differenza della Terra, l’atmosfera marziana è piuttosto polverosa e lì il cielo tende ad essere arancione, a volte con tramonti di colore blu. Questo perché le particelle di polvere sono molto più grandi delle molecole di anidride carbonica che compongono l’atmosfera.
Il fatto che l’atmosfera sia molto sottile su Marte significa che la dispersione della polvere è relativamente maggiore di quanto sarebbe sulla Terra.
Quindi la prossima volta che sei sdraiato sull’erba a guardare le nuvole bianche che fluttuano in uno splendido cielo blu, dedica un momento a pensare alla fisica responsabile di ciò che stai osservando.
Autore
Murray Hamilton, Università di Adelaide
