Perché il cielo è blu? La spiegazione della scienza

Il cielo è blu perché l’atmosfera diffonde la luce del Sole, e lo fa molto di più con la luce blu che con quella rossa. La luce solare sembra bianca, ma contiene tutti i colori dell’arcobaleno: quando attraversa l’aria, le molecole dei gas la “sparpagliano” in tutte le direzioni, e le onde più corte, quelle del blu, vengono sparpagliate più di tutte le altre. Per questo, ovunque guardiamo in un cielo sereno, ci arriva soprattutto luce blu. In questo articolo vediamo come funziona, perché non lo vediamo violetto, perché il tramonto diventa rosso e perché le nuvole restano bianche.

La luce del Sole contiene tutti i colori

La luce che arriva dal Sole ci appare bianca o giallastra, ma in realtà è una miscela di tutti i colori. Lo si vede con un prisma, che separa la luce bianca nei suoi colori, esattamente come fa una goccia di pioggia quando si forma un arcobaleno. Fu Isaac Newton a dimostrarlo con i suoi esperimenti, come ricorda la pagina di fisica dell’Università della California a Riverside.

Ogni colore corrisponde a una diversa lunghezza d’onda, cioè alla distanza tra due “creste” successive dell’onda di luce. Il rosso ha onde lunghe, il blu e il violetto onde corte. Secondo la stessa fonte, la parte visibile dello spettro va da circa 720 nanometri per il rosso a circa 380 nanometri per il violetto (un nanometro è un miliardesimo di metro).

Che cosa succede alla luce nell’atmosfera

La luce viaggia in linea retta, finché qualcosa non la ferma. Come spiega la NASA, può essere riflessa (come da uno specchio), piegata (come da un prisma) oppure diffusa, cioè deviata in molte direzioni, per esempio dalle molecole dei gas dell’aria.

È proprio la diffusione la protagonista del colore del cielo. Quando la luce del Sole entra nell’atmosfera, urta contro le molecole di aria, che la rimandano in tutte le direzioni. Il blu viene diffuso più degli altri colori perché viaggia in onde più corte. Il risultato è che la luce blu ci arriva da ogni punto del cielo, non solo dalla direzione del Sole.

La diffusione di Rayleigh

Questo fenomeno si chiama diffusione di Rayleigh, dal nome del fisico britannico Lord Rayleigh. Secondo la risorsa HyperPhysics della Georgia State University, questa diffusione è più efficace alle lunghezze d’onda corte, cioè verso il blu dello spettro visibile, e riguarda la luce che le molecole dell’aria rimandano verso di noi.

Rayleigh dimostrò che la quantità di luce diffusa è inversamente proporzionale alla quarta potenza della lunghezza d’onda. Detto in modo semplice: se si dimezza la lunghezza d’onda, la diffusione aumenta di sedici volte. Secondo la pagina dell’Università della California a Riverside, con questa regola la luce blu viene diffusa circa dieci volte più di quella rossa.

Una questione di molecole, non di polvere

Il primo passo verso la spiegazione corretta lo fece John Tyndall nel 1859, osservando che le particelle sospese in un fluido diffondono di più il blu. Lui e Rayleigh pensavano che a farlo, nel cielo, fossero la polvere e le goccioline d’acqua. Oggi sappiamo che non è così: bastano le molecole di azoto e di ossigeno dell’aria. La questione fu chiusa da Albert Einstein nel 1911, con un calcolo sulla diffusione della luce da parte delle molecole che risultò in accordo con gli esperimenti.

Perché il cielo non è violetto?

Se le onde più corte sono le più diffuse, e il violetto ha l’onda più corta di tutte, perché il cielo non è violetto? La risposta ha più di una parte.

• La luce del Sole non contiene tutti i colori nella stessa quantità, e una parte del violetto viene assorbita dagli strati alti dell’atmosfera.
• I nostri occhi sono meno sensibili al violetto che al blu.
• Nella retina abbiamo tre tipi di cellule sensibili al colore, i coni: la luce del cielo li stimola in proporzioni tali che il nostro sistema visivo la interpreta come un blu pallido.

La pagina dell’Università della California a Riverside osserva anche che, se nel cielo non ci fosse affatto violetto, il cielo apparirebbe blu con una leggera sfumatura verde: il violetto, stimolando un poco anche i coni del rosso, contribuisce a dare il blu che vediamo.

I colori del cielo a confronto

Perché vicino all’orizzonte il cielo è più chiaro

Se guardiamo con attenzione, il cielo non è dello stesso blu dappertutto: verso l’orizzonte sfuma in un azzurro più chiaro o quasi bianco. Secondo la NASA, la luce che ci arriva dal basso ha attraversato molta più aria di quella che ci arriva dall’alto. In quel lungo percorso le molecole hanno diffuso e ridiffuso il blu molte volte in molte direzioni, e anche la superficie terrestre ha riflesso e diffuso la luce. Tutta questa diffusione rimescola i colori, e così vediamo più bianco e meno blu.

Consiglio: per vedere la diffusione con i propri occhi, osserva il cielo a mezzogiorno in una giornata limpida, poi guarda il cielo vicino all’orizzonte: noterai che il blu si schiarisce. Non guardare mai direttamente il Sole, nemmeno per un istante.

Perché il tramonto è rosso

Quando il Sole è basso sull’orizzonte, la sua luce deve attraversare uno strato di atmosfera molto più spesso per arrivare ai nostri occhi. Come spiega la NASA, in questo caso una parte ancora maggiore della luce blu viene diffusa via, e rossi e gialli passano quasi dritti fino a noi. A volte sembra che tutto il cielo a ovest si accenda.

Secondo la pagina dell’Università della California a Riverside, se l’aria è pulita il tramonto appare giallastro; se invece è carica di piccole particelle, naturali o inquinanti, il tramonto è più rosso. La stessa fonte segnala che sul mare i tramonti possono essere arancioni, per via dei granelli di sale presenti nell’aria.

Perché le nuvole sono bianche

Le molecole dell’aria sono molto più piccole della lunghezza d’onda della luce. Le gocce d’acqua che formano le nuvole, invece, sono molto più grandi. HyperPhysics spiega che la loro diffusione dipende pochissimo dal colore: tutti i colori della luce vengono diffusi in modo simile e, mescolandosi di nuovo, danno bianco o grigio. È la cosiddetta diffusione di Mie, la stessa che crea il bagliore quasi bianco attorno al Sole e il bianco della nebbia.

Il cielo è blu anche sugli altri pianeti?

Dipende da che cosa c’è nell’atmosfera. La NASA ricorda l’esempio di Marte: ha un’atmosfera molto sottile, fatta soprattutto di anidride carbonica e ricca di polvere finissima, che diffonde la luce in modo diverso da quella terrestre. Le foto dei lander e dei rover della NASA mostrano che di giorno il cielo marziano è arancione o rossastro, mentre al tramonto, attorno al Sole, prende una tonalità blu-grigia: l’opposto di quanto accade sulla Terra.

Domande frequenti

Perché il cielo è blu e non violetto?

Perché parte del violetto è assorbita negli strati alti dell’atmosfera e perché i nostri occhi sono meno sensibili al violetto. Il risultato combinato che il nostro sistema visivo costruisce è un blu pallido.

Che differenza c’è tra diffusione di Rayleigh e di Mie?

La diffusione di Rayleigh avviene su molecole e particelle molto più piccole della lunghezza d’onda della luce e favorisce il blu. La diffusione di Mie avviene su particelle più grandi e dipende poco dal colore: per questo nebbia e nuvole appaiono bianche.

Perché i tramonti sono rossi?

Perché la luce del Sole basso attraversa più atmosfera e gran parte del blu viene diffusa lontano dalla nostra linea di vista. Restano i colori a onda più lunga: giallo, arancione e rosso.

Di che colore è il cielo su Marte?

Secondo le foto dei lander e dei rover della NASA, di giorno il cielo di Marte è arancione o rossastro, per la polvere finissima sospesa nella sua atmosfera sottile, mentre al tramonto attorno al Sole diventa blu-grigio.