Prof., Perché Il Colore Del Cielo È Blu?

Dalla Rete

"Prof., Perché Il Colore Del Cielo È  Blu?" è una domanda che mi viene rivolta spesso dai ragazzi, a scuola. Allora provo a fornire una risposta, che risulti comprensibile agli studenti di età compresa tra gli undici e i quattordici anni...almeno nelle linee generali.

Cominciamo dal colore blu del cielo ovviamente diurno, perché invece di notte la volta celeste appare scura come ben sappiamo. A proposito, se vi interessa sapere perché il cielo notturno è buio...nonostante la presenza delle stelle, vi invito a leggere il Paradosso di Olbers.

Ma torniamo al cielo di giorno ed al suo splendido colore blu! Molto semplicemente, un cielo diurno terso e privo di nuvole è blu perché le molecole dell'aria diffondono la componente blu della luce proveniente dal sole più di quanto non diffondano la luce rossa. Quando guardiamo verso il sole al tramonto, vediamo i colori rosso e arancione, perché la luce blu è stata diffusa al di fuori e lontano dalla linea visiva.

Luce blu, luce rossa, arancione provenienti dal sole? Eh sì miei cari ragazzi. La luce bianca del sole è "una miscela" di tutti i colori dell'arcobaleno, come è stato dimostrato da Isaac Newton, che usò un prisma per separare i diversi colori e così formare uno spettro...non quello dei castelli scozzesi ma lo spettro della luce visibile. Consultate i link, mi raccomando!

Immagine da Wikipedia

Lo spettro visibile è quella parte dello spettro elettromagnetico che cade tra il rosso e il violetto includendo tutti i colori percepibili dall'occhio umano

Andate a leggere due altri post per approfondire:

La Teoria della luce di Newton

La luce e i colori

Vi consiglio caldamente di farlo perché troverete delle informazioni che vi consentiranno di comprendere quanto seguirà. E non storcete il naso perché la Scienza, quella vera, è complessa, anche ad un livello base, e si deve procedere per piccoli passi se si vogliono comprendere i fenomeni naturali, come voi primini apprenderete e come voi di seconda e di terza avete già appreso. Complessa sì ma altrettanto affascinante, se vi lascerete abbracciare dalle sue ineffabili spire. Coraggio dunque!

Se avete seguito il mio consiglio, avrete appreso che i colori della luce si distinguono per le loro diverse lunghezze d'onda. La parte visibile dello spettro varia dalla luce rossa, con una lunghezza d'onda di circa 720 nm (il simbolo nm sta per nanometro, che è la miliardesima parte del metro o la milionesima parte del millimetro = 0,000000001 m), al violetto con una lunghezza d'onda di circa 380 nm. Tra il rosso ed il violetto ci stanno l'arancio, il giallo, il verde, il blu e l'indaco, aventi una lunghezza d'onda progressivamente decrescente.
I tre diversi tipi di recettori del colore, i coni-S, i coni-M, i coni-L (Per saperne di più, vi consiglio di leggere un ottimo saggio sulla visione dei colori, da cui è tratta l'immagine qui a sinistra) nella retina dell'occhio umano rispondono più fortemente al rosso e alle lunghezze d'onda del verde e del blu, dandoci la nostra visione dei colori.

Poiché so per certo che ci stanno, tra di voi, quelli più pigri, spendo due parole sul fenomeno della diffusione ottica (in inglese scattering), prima di proseguire. In Fisica, la diffusione si riferisce ad una vasta classe di fenomeni piuttosto complessi, in cui onde (dal punto di vista quantistico; leggete il post "Prof, mi spiega che cos'è la Meccanica Quantistica?") o particelle vengono deviate (e sparpagliate o disperse disordinatamente) dalla loro traiettoria in seguito alla collisione con altre onde o particelle. La diffusione della luce solare è un fenomeno che osserviamo quotidianamente. Semplificando al massimo, perché le cose sono in realtà ben più complesse, succede che, quando i raggi solari attraversano l'atmosfera terrestre, essi colpiscono la superficie delle particelle sospese nell'aria e sono diffusi in tutte le direzioni.

Il colore blu del cielo è un esempio ordinario di diffusione della luce: la luce del sole incide sull'atmosfera terrestre, le cui molecole diffondono con più facilità le componenti aventi frequenze più alte e quindi lunghezza d'onda più piccola (ovvero i colori più vicini al blu e al violetto). Pertanto, mentre la maggior parte della luce ci arriva direttamente dal sole, la luce blu diffusa ci proviene da tutte le direzioni, conferendo al cielo il caratteristico colore blu. Il sole, che dovrebbe essere perfettamente bianco, ci appare pertanto di colore giallastro perché gli è stata sottratta un po' della componente blu.

La seguente immagine dovrebbe chiarire quanto anzidetto.

Fonte immagine

Continuiamo, provando ad approfondire l'argomento mediante un breve excursus storico al riguardo.

I primi passi verso una spiegazione corretta del colore del cielo furono avviati da John Tyndall, nel 1859, il quale scoprì che, quando la luce attraversa un liquido chiaro contenente piccole particelle in sospensione (pensate ad una emulsione o ad una sospensione), la luce con più breve lunghezza d'onda (blu) è diffusa più fortemente rispetto alla luce rossa, che ha una lunghezza d'onda maggiore.
Potete verificare il fenomeno, noto come Effetto Tyndall, proiettando un fascio di luce bianca attraverso un contenitore d'acqua mescolata con un po' di latte o sapone. Di lato, può essere osservata la diffusione della luce blu; invece la luce, osservata direttamente alla fine, appare rossastra dopo avere attraversato il contenitore. Si può anche verificare come la luce diffusa risulti essere polarizzata, utilizzando un filtro di luce polarizzata, proprio come il cielo appare di un intenso blu profondo attraverso le polaroid degli occhiali da sole. Il fenomeno della polarizzazione è piuttosto complesso. L'ho solo citato per completezza, ma voi ragazzi potete saltarlo a pie' pari per il momento.

[Nell'immagine, l'effetto Tyndall è osservabile nel contenitore (b) che contiene una miscela eterogenea di acqua e latte mentre non si osserva nel contenitore (a) contenente una soluzione di solfato di rame.]

Il fenomeno che vi ho presentato, chiamato correttamente effetto Tyndall, è diventato comunemente noto in fisica come scattering di Rayleigh, dopo che Lord Rayleigh lo ebbe studiato nei dettagli alcuni anni più tardi. Egli dimostrò che la quantità di luce diffusa è inversamente proporzionale alla quarta potenza della lunghezza d'onda, per particelle sufficientemente piccole. Ne consegue che la luce blu viene diffusa più fortemente della luce rossa di un fattore (700/400) 4 ~10.

In definitiva, Tyndall e Rayleigh pensavano che il colore blu del cielo fosse causato dalle piccole particelle di polvere e dalle goccioline di vapore acqueo presenti nell'atmosfera. Ancora oggi, a volte si pensa erroneamente che avvenga ciò. Più tardi gli scienziati si resero conto che, se ciò fosse vero, ci dovrebbe essere una variazione del colore del cielo, in presenza di umidità o di nebbia, maggiore di quella effettivamente osservata; così supposero correttamente che le molecole di ossigeno e azoto presenti nell'aria sono sufficienti a spiegare la diffusione.

Il caso fu finalmente risolto da Einstein nel 1911, che riuscì a trovare la formula dettagliata per la diffusione della luce da parte delle molecole; tale formula risulta essere in accordo con le prove sperimentali. Egli fu anche in grado di usare il calcolo come ulteriore verifica del numero di Avogadro quando lo si confronta con l'osservazione. Le molecole sono in grado di diffondere la luce perché il campo elettromagnetico delle onde luminose induce momenti di dipolo elettrico in esse.

Sono scivolata insensibilmente in questioni per voi complicate ragazzi! Pertanto, riassumendo e semplificando, si può affermare che, durante il giorno, il cielo appare blu perché l'aria diffonde la componente blu della luce solare più di quanto diffonde la componente rossa, in accordo con lo scattering di Rayleigh.

La diffusione dovuta a particelle delle dimensioni di una molecola (come avviene nell'aria) è maggiore nelle direzioni in avanti e indietro di quanto lo sia nella direzione laterale. La diffusione è significativa per la luce a tutte le lunghezze d'onda visibili, ma è più forte per le lunghezze d'onda (più blu) alla fine dello spettro visibile. La rimanente luce del sole, dopo aver perso alcune delle sue componenti a breve lunghezza d'onda, ovvero vicine al blu, ci appare giallastra, come già rilevato.

Dalla Rete

Tutto chiaro? Forse qualcosa non torna completamente! Qualcuno potrebbe chiedersi perché, dato che le lunghezze d'onda minori sono quelle diffuse più fortemente, il cielo non appare violetto, che è il colore con la più breve lunghezza d'onda nel visibile. Sarebbe una riflessione corretta e sensata!

Il fatto è che lo spettro di emissione della luce solare non è costante a tutte le lunghezze d'onda, ed è anche assorbito dall'alta atmosfera, così c'è meno componente violetta nella luce. I nostri occhi sono, inoltre, meno sensibili a questo colore. Ciò fornisce una parziale risposta alla domanda; ma l'arcobaleno ci mostra che permane, oltre il blu, una notevole quantità di luce visibile di colore indaco e violetto. Il resto della risposta, a questo apparentemente strano comportamento, si ritrova nel modo in cui funziona la nostra visione. Come affermato prima, noi esseri umani possediamo tre tipi di recettori del colore, o coni, nella nostra retina. Sono chiamati rossi (coni-L), blu (coni-S) e verdi (coni-M) perché rispondono più intensamente alle corrispondenti lunghezze d'onda della luce visibile. Poiché tali recettori sono stimolati in proporzioni diverse, il nostro sistema visivo costruisce i colori che vediamo.

Curve di risposta per i tre tipi di coni presenti nell'occhio umano
Immagine reperita in Rete

Quando guardiamo il cielo, i coni rossi rispondono alla piccola quantità di luce rossa diffusa, ma anche meno fortemente alle lunghezze d'onda arancione e giallo. I coni verdi rispondono al giallo e alle lunghezze d'onda verde e verde-blu, che sono più fortemente diffuse delle lunghezze d'onda precedenti. I coni blu sono stimolati dai colori vicini alla lunghezza d'onda blu, che sono fortemente diffusi. Se non ci fosse l'indaco e il violetto nello spettro, il cielo apparirebbe blu con una leggera sfumatura verde. Tuttavia, le lunghezze d'onda indaco e violetto, più fortemente diffuse, stimolano leggermente i coni rossi così come fa il blu, motivo per cui questi colori appaiono blu con l'aggiunta di una sfumatura rossa. L'effetto netto risultante è che i coni rossi e verdi sono stimolati quasi nello stesso modo dalla luce, mentre i blu sono stimolati più intensamente. Questa combinazione spiega il colore blu del cielo. 

Quando l'aria è limpida, il tramonto appare giallo, perché la luce del sole ha superato una lunga distanza attraverso l'aria e una parte della luce blu è stata diffusa disperdendosi. Se l'aria è inquinata da piccole particelle, naturali o meno, il tramonto sarà più rosso. I tramonti sul mare possono anche essere arancione, a causa di particelle di sale presenti nell'aria, che rendono possibile l'effetto Tyndall. Il cielo attorno al sole, al tramonto, appare rossastro, così come la luce proveniente direttamente dal sole perché tutta la luce viene diffusa relativamente bene attraverso i piccoli angoli, ma la luce blu ha in tal caso una maggiore probabilità di essere diffusa due o più volte nel percorrere distanze più grandi, lasciando i colori giallo, rosso e arancio.

Fonte dell'immagine

Nuvole, nebbia e foschia appaiono bianche perché sono formate da particelle più grandi delle lunghezze d'onda della luce visibile, le quali disperdono tutte le lunghezze d'onda allo stesso modo per lo scattering di Mie. Ma a volte ci potrebbero essere nell'aria altre particelle di dimensioni molto più piccole. Alcune regioni montuose, ad esempio, sono famose per la loro foschia blu. Può succedere, infatti, che gli aerosol di terpeni, prodotti dalla vegetazione montana, reagiscano con l'ozono dell'atmosfera per formare piccole particelle di circa 200 nm di diametro in grado di diffondere la luce blu.

Un incendio o un'eruzione vulcanica possono occasionalmente riempire l'atmosfera con particelle fini, del diametro di 500-800 nm, dimensione giusta per diffondere la luce rossa. Tali particelle provocano così un effetto opposto all'usuale effetto Tyndall, e, in alcuni casi, possono conferire una sfumatura blu alla luna- fenomeno molto raro- in quanto la luce rossa è diffusa via.  

L'effetto Tyndall è responsabile di altre colorazioni blu in natura: gli occhi azzurri, l'opalescenza di alcune pietre preziose, e il colore nell'ala della ghiandaia blu. I colori possono variare in base alle dimensioni delle particelle responsabili della diffusione. Tali effetti naturali sono spesso riprodotti artificialmente per conferire, ad esempio, una lucentezza blu al vetro degli occhiali ornamentali, impregnandoli di particelle adatte allo scopo. Ma non tutte le colorazione blu, in natura, sono causate dalla diffusione. La luce all'interno del mare è blu perché l'acqua assorbe le lunghezze d'onda maggiori, per distanze superiori a 20 metri. Se osservato dalla spiaggia, il mare appare anche blu perché riflette il cielo, ovviamente. La colorazione blu di alcuni uccelli e alcune farfalle è causata, invece, da effetti di diffrazione.

Beh penso che sia abbastanza! Se avete delle curiosità, esprimetele con un commento al post.

In chiusura, vorrei fare una considerazione. Ragazzi, il cammino della Scienza è stato lungo è difficoltoso, per potersi liberare di quell'alone di magia di cui era circondata nel passato. In realtà anche nell'antichità ci sono stati giganti, come Talete ed Archimede, che hanno rischiarato la via della conoscenza come luminosi fari di riferimento. Qui sul nostro blog è presente "La Scienza di Talete" di Aldo Bonet, un ebook molto bello, che può essere scaricato liberamente...anche dai vostri genitori. Una lettura che consiglio a tutti.

Ed oggi? Come sta la Scienza? Eh, le difficoltà e gli ostacoli non mancano soprattutto a causa di coloro che vogliono ancora restare, nel terzo millennio, nell'ignoranza scientifica e prendere per oro colato un certo tipo di informazione che di scientifico non ha proprio nulla. Ma ritorneremo su questi temi sia in classe che qui sul blog.