Vogliamo ripassare la lezione su cos'è il Rayleigh Scattering? In parole semplici, la luce bianca del sole viene sottoposta ad un effetto di scomposizione e dispersione da parte dei singoli atomi di gas atmosferico. Una parte della radiazione prosegue la sua traiettoria indisturbata, ma la rimanente parte della luce solare viene riflessa e diffusa nello spazio circostante. Le frequenze elettromagnetiche del rosso, del giallo e (in minor misura) del verde sono quelle che rispettivamente non vengono disperse e riflesse, quelle del blu invece sì. Ecco perchè noi, di norma, vediamo il bel cielo azzurro.

Da un punto di vista forse più psicologico e soggettivo che razionale e logico, noi esseri umani abbiamo associato l'idea del cielo azzurro alla nostra Terra in modo quasi univoco. Ci sono poi altri fattori, probabilmente, più legati a tradizioni dal sapore folkloristico e/o religioso che associano il colore del cielo azzurro a qualcosa di celestiale ed etereo (ovvero elevato o superiore) come l'aldilà dopo la morte.

In ogni caso non v'è ombra di dubbio che lo stretto legame intercorrente tra la natura umana e l'ambiente terrestre è fortissimo. Non occorre compiere grossi sforzi per comprendere quanto potrebbero essere incisive le ripercussioni derivanti dal trovarsi davanti a realtà uguali o simili a quella terrestre, ma situate in altri pianeti.

Certamente non stiamo parlando di suicidi collettivi o guerre di religione (anche se non ci sarebbe da stupirsi se elementi fanatici approfittassero di cambiamenti radicali per spingere le menti fragili a compiere azioni insensate), ma di sentimenti di confusione, forse disagio interiore, delusione per aspettative mancate o altro ancora.

La nostra maturità sta proprio nell'acquisire serenamente nuove e più profonde conoscenze dell'ambiente terrestre ed extraterrestre senza necessariamente andare in tilt. Impariamo ad apprezzare la bellezza ed il fascino che possono suscitare anche luoghi fuori dalla Terra evitando di farci sopraffare da ridicoli pregiudizi che ci tramandiamo da tempi immemorabili.

L'immagine che vediamo sopra è stata scattata alle ore 7, 00 AM, verso fine maggio (primavera avanzata). Quando sulla Terra è l'alba (o il tramonto) i raggi del sole devono attraversare uno spessore atmosferico maggiore rispetto a quando il giorno è inoltrato. Di conseguenza le frequenze del blu vengono maggiormente assorbite (sopratutto se osserviamo in direzione del sorgere del sole fino ad una certa distanza), mentre vengono disperse e riflesse in maggiore misura quelle del giallo e del rosso. Possiamo notare un cielo velato di colori misti giallo, arancione, rosa su un tenue sfondo celeste.

Questa immagine è un'autentica "almost true color", perchè la fotocamera digitale utilizzata, sebbene di buona qualità, non ha reso esattamente i colori identici a come apparivano all'occhio umano. Comunque la corrispondenza alla realtà oltrepassa il 90%.  

IL CIELO BLU - Il colore blu del cielo è causato dalla dispersione della luce solare fuori dalle molecole atmosferiche. Questa dispersione, denominata Rayleigh Scattering, è più efficace alle lunghezze d'onda corte (la parte blu dello spettro visibile). Di conseguenza la luce dispersa e diffusa verso la Terra, ad un grande angolo rispetto al senso della luce solare, è principalmente nella parte blu dello spettro.

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Immagine "A" - Da notare l'effetto di saturazione del colore blu se osserviamo il cielo lontano dal sole. Interessante è l'aumento della luminosità del cielo man mano che si scende verso l'orizzonte. D'altra parte, quando osserviamo il cielo in prossimità del sole noteremo il colore che torna a saturare quasi verso il bianco. Questo effetto viene definito Mie Scattering e non dipende molto dalla lunghezza d'onda della luce.

Immagine "B" - Le nuvole in contrasto con il colore blu del cielo appaiono invece bianche con variazioni di grigio. Le goccioline d'acqua che compongono le nubi sono molto più grandi delle molecole che compongono l'aria. Di conseguenza la dispersione (scattering) è quasi indipendente dalla lunghezza d'onda della luce visibile.

RAYLEiGH SCATTERING - E' la dispersione della luce fuori dalle molecole di gas che compongono l'atmosfera; può essere estesa alla dispersione prodotta da particelle fino ad un decimo della lunghezza d'onda della luce visibile. Il Rayleigh Scattering diffonde fuori dalle molecole dell'aria il colore blu del cielo che possiamo osservare. Lord Rayleigh calcolò l'intensità dell'effetto tenendo conto dei dipoli dispersori molto più piccoli della lunghezza d'onda delle radiazioni luminose:

Il Rayleght Scattering possiamo considerarlo come una dispersione elastica dei fotoni, in quanto l'energia stessa dei fotoni in realtà non ha subito nessun cambiamento. Qualora i fotoni avessero una maggiore o minore energia intrinseca, nella loro dispersione, ci troveremo davanti alla cosiddetta Raman Scattering. Solitamente questo tipo di dispersione coinvolge l'eccitamento del modi in cui le molecole vibrano, conferendo una più bassa energia ai fotoni dispersi, o disperdendo un determinato tipo di molecole il cui stato vibratorio risulta essere aggiunto a quello del fotone che ne ha determinato tale condizione.

MIE SCATTERING - La dispersione ottenuta da molecole o particelle piccolissime (< 1/10 di lunghezza d'onda) costituisce il predominante Rayleigh Scattering. Per le particelle aventi una larghezza pari o superiore ad una lunghezza d'onda predomina invece il Mie Scattering. Questo tipo di dispersione produce un effetto definibile a "lobo di antenna", con una porzione di tale "lobo" più marcata e tagliente nel verso della radiazione incidente per le particelle più grandi.

Il Mie Scattering non è strettamente legato alla lunghezza d'onda della luce. La cosa più interessante è, però, che esso produce quel chiarore quasi bianco intorno al sole allorchè l'aria risulta notevolmente carica di polveri sottili. Ed è lo stesso fenomeno che produce il bianco diffuso nella foschia e nella nebbia.

RAYLEGT E MIE SCATTERING

SATURAZIONE E LUMINOSITA' DEL CIELO - A proposito dell'esame di saturazione e luminosità del colore blu del cielo, sono state effettuate misurazioni utilizzando immagini immesse in un computer dotato del software Adobe Illustrator's color tool. Va chiarito che la sequenza di dati non deve essere presa alla lettera perchè le immagini avrebbero subito alcune trasformazioni ed il video originale non era stato calibrato. Ad ogni modo ci possono offrire un'idea valida sulla progressione del colore del cielo.

Una serie di punti sull'immagine del cielo è stata scelta a partire dalla parte di sinistra, indicata dai puntini bianchi sovrapposti sull'immagine qui sopra. E' chiaro che la progressione inizia da un cielo più blu intenso e conduce fino ad un colore blu meno saturato e dall'aspetto "pastello". Le misurazioni sono state fatte basandosi sull'ammontare ad ogni singolo punto della presenza di rosso, verde, blu (la Palette RGB). Nel grafico sopra il blu è stato normalizzato a 1 mentre, partendo da sinistra, le tonalità verde e rosso costituiscono una frazione del blu.

Il risultato era che il verde aveva una significativa e maggior luminosità del rosso, coerente con il Rayleigh Scattering che dà risalto alle frequenze più corte. Altro risultato era che l'aumentare del rosso e del verde costituivano l'evidenza della diminuzione della saturazione. Tutto ciò si potrebbe interpretare come un mescolamento di blu e di luce bianca in crescendo, evidente insieme di Mie Scattering e Rayleigh Scattering.

Quanto più ci avviciniamo alla direzione del sole, tanto più il Mie Scattering acquisisce sempre più frazioni della luce totale dispersa; potremmo dire che la luce bianca costituisce il punto massimo di Mie Scattering. Così il grafico sopra corrisponde alla somma dei tre colori RGB con un massimo di 1, equivalente al colore bianco visibile sul vostro video. L'aumento di luminosità è costante con Rayleigh e Mie Scattering. Il Mie Scattering tuttavia possiede un lobo accentuato sempre più nel senso della direzione del sole.