Poesia e fisica del cielo azzurro

Perché il cielo è azzurro? Piccolo viaggio, tra fisica e poesia, alla scoperta dei colori del cielo

Probabilmente anche voi almeno una volta vi sarete chiesti come mai i colori del cielo siano proprio quelli. Perché nelle giornate limpide il cielo è azzurro e rosso al tramonto? Beh, è un ottima domanda!

Questa domanda mi fa pensare, mi fa venir voglia di navigare e di scoprire se sono state cantate poesie sui bei cieli azzurri. Su quel blu che incornicia le candide nuvole…

In che cosa differisce il blu dagli altri colori? Nel fatto che il blu è simile al mare, il mare è simile alla volta celeste, la volta celeste è simile al trono della gloria. - Sefer ha-Bahir, Libro Fulgido, XII sec

Per secoli gli uomini hanno considerato il cielo sconfinato una manifestazione diretta dell’eternità, della sacralità o, in una parola, della trascendenza. Oggi la poesia scorre a fiumi! Sentite qua: per le sue caratteristiche di imperscrutabilità, nei secoli, gli uomini hanno visto nel cielo la casa naturale delle divinità ed hanno fatto del blu un colore celestiale. Sbaaaaaam! [1]

Dai su, anche se fate i superiori, un pochino, in fondo in fondo, anche voi subite il fascino del cielo…

Ci ho pensato parecchio ultimamente e mi sono convinta che fare il cielo azzurro è stata una buona idea! - Lucy Van Pelt, Peanuts

Non mi stanco mai di un cielo azzurro - Vincent van Gogh

Insomma, tutto ciò è sicuramente affascinante, ma qual è la fisica dietro i bei colori del cielo? Grandi studiosi del passato si interessarono al perché il cielo fosse azzurro, tra questi anche VIP come Newton e Clausius, ma alla fine l’onore e l’onere fu tutto di un vero Lord! Meglio così… dopotutto la sua teoria era così buona che ci è arrivata praticamente immutata dalla fine dell’800.

Vediamo di capirci qualche cosa!

La luce proveniente dal sole ci appare bianca, ma in realtà è costituita da diverse “componenti”, una per ogni colore. Queste componenti sono di fatto onde elettromagnetiche di diversa lunghezza: le più corte corrispondono al violetto, le più lunghe al rosso.

La possibilità di interazione tra luce e atmosfera, come descritto da quello che viene definito scattering Rayleigh, dipende dalle dimensioni delle particelle rispetto alle specifiche lunghezze d’onda. Una volta raggiunta la terra, un raggio solare deve interagire con l’atmosfera che è composta per il 78% da azoto, per il 21% da ossigeno e per la restante parte da argon, acqua nelle sue varie forme e altre particelle solide. Ognuno di questi costituenti interagisce in maniera differente con le varie lunghezze d’onda di cui è composta la luce.

Per esempio, la polvere e le goccioline d’acqua sono molto più grandi della lunghezza d’onda della luce visibile. Interagendo con questi big la luce visibile ha la peggio e tutti i suoi colori vengono sparpagliati in tutte le direzioni! Un patatrac, ma a noi cosa arriva? Semplicemente tutto, il bianco… nuvole o nebbia!

Le molecole di gas hanno dimensioni inferiori e la luce si comporta diversamente a seconda delle varie lunghezza d’onda. La luce più “lunga” tende a ignorare le particelle più piccole interagendo molto debolmente con l’atmosfera e proseguendo rettilinea lungo la direzione iniziale. Esatto, le componenti rossa, arancione e gialla sono un bel po’ altezzose e vengono influenzate solo in minima parte dalla presenza dell’atmosfera.

Al contrario, la luce con lunghezza d’onda inferiore è molto attaccabrighe e si scontra con le molecole da cui viene diffusa in tutte le direzioni; il cielo ha il consueto colore azzurro poiché, da qualunque direzione lo si osservi, una porzione di luce blu, dopo aver litigato con le particelle più piccole, giunge ai nostri occhi.

Matematicamente si ottiene che la quantità di luce diffusa è inversamente proporzionale alla quarta potenza della lunghezza d’onda: il blu è diffuso più del rosso di un fattore (700/400)4 ~ 10. Se siete stati attenti, prima ancora di vedere la foto sotto vi sarà venuto in mente che da quanto detto il cielo dovrebbe essere viola, visto che questo è il colore in assoluto più corto e più attaccabrighe! Bravi! Ottima osservazione!

Ci sono due motivi fondamentali per cui il cielo ci appare “soprattutto” blu: il primo è che, al netto, i fotoni blu sono in assoluto i più abbondanti; il secondo è che il nostro occhio è più sensibile al blu che al viola! In sostanza, nella ressa di colori che cercano di arrivare a noi il blu vince. Perché è più numeroso e perché quando ci viene a trovare trova sempre le porte aperte… non gli tocca mica passare dalla finestra come succede al viola!

Vicino all’orizzonte il cielo è di un azzurro più chiaro perché la luce, per raggiungerci da quella direzione, deve attraversare più aria e viene diffusa maggiormente: a forza di litigare la componente blu si sparpaglia troppo e perde la strada per i nostri occhi. Quando il sole è al tramonto il cielo diventa rosso perché dopo tanto camminare in atmosfera la luce blu diventa meno di quella rossa… Grazie, questa bisbetica interagisce così poco… come fa a perdersi?!

Qualche curiosità. Alcune montagne sono famose per le loro foschie blu (ad es. a Les Vosges in Francia). In questo caso dei particolari aerosol rilasciati dalla vegetazione reagiscono con l’ozono dell’atmosfera formando particelle di circa 200 nm (1 nm vale 0.000000001 m) adatte a diffondere la luce blu. Altre volte, l’incendio di una foresta o un’eruzione vulcanica possono riempire l’atmosfera con particelle delle dimensioni di 500-800 nm che sono in grado di diffondere la luce rossa. Ciò provoca un effetto opposto a quello usuale: è la luce rossa ad essere diffusa maggiormente e questo provoca, in alcuni casi, una colorazione blu della Luna. Questo effetto nella lingua inglese è preso ad esempio di evento raro: once in a blue moon, “una volta ogni luna blu” è l’analogo del nostro “una volta ogni morte di papa”.

Bello! Spero sia piaciuto anche a voi e che vogliate tornare a trovarmi. Alla prossima!

[1] perdonatemi se non citerò le fonti di queste interpretazioni, ma per me sono valide solo nell’ottica della constatazione artistica. Occhio a non scambiare questo tipo di folklore per affermazioni scientifiche.