Perché il cielo è blu?

Di che colore è davvero la luce del Sole?

La luce del Sole sembra bianca, ma è un miscuglio di tutti i colori. Lo vedi quando passa attraverso un prisma, o nelle gocce di pioggia che formano l'arcobaleno: il bianco si apre in rosso, arancione, giallo, verde, blu e viola.

Ogni colore è un'onda con una sua lunghezza d'onda, cioè la distanza tra una cresta e l'altra. Sono distanze minuscole, che si misurano in nanometri, milionesimi di millimetro. Il rosso ha le onde più lunghe, intorno ai 700 nanometri. Il blu sta intorno ai 450 e il viola, il più corto che vediamo, intorno ai 400.

Tieni a mente questa differenza, perché è tutta qui la chiave del cielo blu.

Che cosa fa l'aria alla luce?

L'aria è fatta soprattutto di molecole di azoto e ossigeno, più di mille volte più piccole della lunghezza d'onda della luce. Quando la luce le colpisce, queste molecole ne rimandano un po' in tutte le direzioni. Si chiama diffusione.

Già il fisico irlandese John Tyndall aveva osservato che la luce bianca, attraversando particelle finissime, diventa un po' azzurrina. Nel 1871 il britannico Lord Rayleigh ne diede la spiegazione matematica: la diffusione dipende in modo fortissimo dalla lunghezza d'onda, precisamente dalla sua quarta potenza.

Facciamo i conti da ingegneri. Il rosso ha un'onda circa 1,55 volte più lunga del blu. Elevando alla quarta, 1,55 × 1,55 × 1,55 × 1,55 fa quasi 6. Vuol dire che le molecole dell'aria sparpagliano la luce blu quasi sei volte più della rossa.

Così, quando guardi un punto qualsiasi del cielo lontano dal Sole, ti arriva soprattutto luce blu rimbalzata dalle molecole. Il cielo, in pratica, è l'aria illuminata di lato.

Hai notato che vicino all'orizzonte il cielo è più chiaro, quasi bianco? La luce che arriva da lì ha attraversato molta più aria ed è stata diffusa tante volte, rimbalzando da una molecola all'altra. A forza di rimbalzi i colori si rimescolano, e l'azzurro intenso si sbiadisce. Per vedere il blu più carico bisogna guardare in alto, dove lo strato d'aria è più sottile.

Se il viola si diffonde ancora di più, perché il cielo non è viola?

Domanda giustissima: con la regola di Rayleigh il viola dovrebbe vincere. I motivi per cui non succede sono due.

Il primo è che il Sole emette meno luce viola che blu: nella sua luce il viola è presente, ma in quantità minore. Il secondo è che il nostro occhio è poco sensibile al viola. Nella retina abbiamo tre tipi di recettori del colore, e la miscela di luce che arriva dal cielo li stimola in un modo che il cervello interpreta come azzurro.

In altre parole, il colore del cielo dipende un po' dalla fisica dell'aria e un po' dal modo in cui sono fatti i nostri occhi.

Perché al tramonto il cielo diventa rosso?

A mezzogiorno la luce del Sole attraversa l'atmosfera quasi in verticale, cioè il tratto più corto possibile. Al tramonto, con il Sole basso sull'orizzonte, la luce viaggia di sbieco e attraversa decine di volte più aria.

Lungo quel percorso lunghissimo, il blu viene sparpagliato via quasi tutto prima di arrivare a noi. Restano le onde lunghe, arancione e rosso, che colorano il Sole e le nuvole. Il blu non è sparito: sta colorando il cielo di qualcun altro, più a ovest, dove è ancora giorno.

E le nuvole perché sono bianche? Le goccioline d'acqua sono molto più grandi delle molecole d'aria, e diffondono tutti i colori più o meno allo stesso modo. Tutti i colori insieme danno di nuovo il bianco. Quando una nuvola è spessa e piena d'acqua, invece, fa passare poca luce e la vediamo grigia.

Di che colore è il cielo su altri mondi?

Sulla Luna non c'è aria, quindi non c'è niente che diffonda la luce: il cielo è nero anche in pieno giorno, con il Sole che brilla accanto alle stelle. Lo si vede bene nelle foto delle missioni Apollo. Se ti incuriosisce il nostro satellite, leggi perché vediamo sempre la stessa faccia della Luna.

Su Marte succede il contrario della Terra. Nel 2015 il rover Curiosity della NASA ha fotografato un tramonto blu. L'atmosfera marziana è sottile e piena di polvere finissima, e queste particelle lasciano passare la luce blu verso la direzione del Sole meglio di quella rossa.

Lo stesso principio, la luce che incontra particelle di dimensioni diverse, dà colori diversi a seconda del pianeta. Il blu del nostro cielo, insomma, è una firma della nostra atmosfera.