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Perchè è il cielo blu? Un cielo privo di nubi di giorno è blu perché le molecole d’aria disperdono la luce solare blu maggiormente della luce rossa. Quando osserviamo verso il sole durante il tramonto, vediamo i colori rosso ed arancione perché la luce blu è stata dispersa via dalla linea di vista. D’altro canto la luce bianca del sole è la somma di tutti i colori dell’arcobaleno. Ciò è stato dimostrato da Isaac Newton, che utilizzò un prisma per separare i colori differenti così da ottenere uno spettro.

I colori della luce sono caratterizzati dalle loro differenti lunghezze d’onda. La parte visibile procede dalla luce rossa, con una lunghezza d’onda di circa 720 nm, alla viola con una lunghezza d’onda di circa 380 nm, con l’arancio, il colore giallo, il verde, l’azzurro e l’indaco in mezzo. I tre differenti tipi di recettori cromatici della retina (parlando dell’occhio umano) rispondono in modo incisivo alle lunghezze d’onda rosse, verdi e blu, producendo la nostra percezione del colore.

L’effetto di Tyndall

I primi passi verso la
corretta comprensione del colore del cielo furono compiuti da John Tyndall
nel 1859. Egli si rese conto che quando la luce attraversava un limpido
fluido dotato di piccole particelle libere in sospensione, le
lunghezze d’onda blu (più corte) venivano disperse più fortemente
rispetto quelle del
rosso.

Ciò può essere dimostrato
dirigendo un fascio di luce bianca
attraverso un contenitore d’acqua mescolato con un po’ di latte o sapone. Dal lato
iniziale, il fascio luminoso può essere visto con l’effetto di
dispersione dalla luce blu,
ma la luce vista direttamente dall’estremità finale sarà arrossata, dopo che abbia
attraversato il recipiente. La dispersione della luce può anche essere indotta
attraverso la polarizzazione, utilizzando appunto un filtro polarizzante,
esattamente come quando si osserva il cielo dietro i vetri solari
polaroid: apparirà di un azzurro più profondo

Quanto fino ad ora descritto viene denominato come "effetto
di Tyndall", ma è conosciuto più comunemente dai fisici come Rayleigh
Scattering, dopo che Lord Rayleigh compì uno studio più dettagliato alcuni anni seguenti.
Egli stabilì che la quantità di luce dispersa è inversamente
proporzionale alla quarta potenza della lunghezza d’onda per le
particelle sufficientemente piccole. Ne consegue che la luce blu è più
dispersa di quella rossa per un fattore di (~ 700/400) ^ 4 = 10.

Curve di reazione ai colori per i tre tipi di coni dell’occhio umano

Polvere o molecole? Tyndall e Rayleigh ritenevano che il colore blu del cielo dovesse essere dovuto alle piccole particelle di polvere e alle goccioline di vapore acqueo sospese nell’atmosfera. Questo preconcetto è ancora oggi erroneamente diffuso tra la gente. Ma gli scienziati successivamente si accorsero che se questo fosse stato vero, ci sarebbero più variazioni cromatiche del cielo con gli stati di opacità o di umidità che realmente vengono osservati. Così capirono correttamente che le molecole di ossigeno e di azoto nell’aria erano sufficienti per generare la dispersione. Il caso infine è stato anche trattato da Einstein nel 1911, il quale descrisse in una formula dettagliata un mezzo per quantificare la dispersione della luce dalle molecole; e questo fu poi confermato con gli esperimenti.

Si poteva persino usare il calcolo come ulteriore verifica del valore di Avogadro in paragone all’osservazione. Le molecole possono effettivamente disperdere a luce perché il campo elettromagnetico delle onde luminose induce un momento di dipolo elettrico nelle molecole.

Perchè non viola?

Se le lunghezze d’onda più corte sono
maggiormente disperse, allora c’è un puzzle quanto al perchè il cielo
non appaia piuttosto  viola, che in effetti è il colore con la lunghezza d’onda visibile più corta.
Lo spettro di emissione della luce solare non è costante a tutte le
lunghezze d’onda ed è ulteriormente assorbita dall’alta atmosfera, così
la luce violetta è già minore a partire da quelle altitudini. I nostri occhi sono inoltre meno sensibili
alla luce viola e questo è parte del nostro sistema visivo. Tuttavia un arcobaleno
mostra che rimane una quantità significativa di luce visibile sia nell’indaco
che nel viola oltre l’azzurro.

Dobbiamo allora
comprendere meglio come funziona il nostro apparato visivo. Noi esseri
umani abbiamo tre
tipi di recettori del colore, o coni, nella nostra retina. Sono denominati
rossi, blu e verdi perché rispondono più fortemente alla luce di quelle
lunghezze d’onda. Mentre sono stimolati nelle proporzioni differenti, il
nostro sistema visivo costruisce i colori che vediamo. 

I coni rossi rispondono fortemente alla piccola quantità di
luce rossa dispersa, ma anche un po’ alle lunghezze d’onda arancione e
gialla. I coni verdi rispondono maggiormente al colore giallo, meno alle lunghezze
d’onda verdi e, in piccola quantità, a quelle verde blu. I coni blu sono stimolati dai
colori vicino alle lunghezze d’onda blu, le quali sono disperse in modo
maggiore. Se non ci fossero indaco e viola nello spettro, il cielo
apparirebbe blu con una tinta verde leggera. Tuttavia, l’indaco ed il
viola più
fortemente disperse stimolano ugualmente un po’ i coni
rossi così come l’azzurro, al che si otterrà una mistura di colori
apparentemente blu con
una tinta rossa aggiunta. L’effetto netto è che i coni rossi e verdi
sono stimolati in modo simile dalla luce del cielo, mentre l’azzurro è
stimolato più fortemente. Questa combinazione rappresenta il colore
azzurro pallido del cielo.

Non può essere una coincidenza che la
nostra visione è tarata per vedere il cielo come tonalità pura. Ci
siamo evoluti per adattarci dentro il nostro ambiente; così la capacità
di separare i colori naturali è probabilmente il più chiaro vantaggio
di sopravvivenza.

Perchè è il cielo del Marte rosso?

Le immagini trasmesse
a Terra dai landers di Viking in 1977 e da Pathfinder in 1997 hanno
mostrato un cielo rosso visto dalla superficie di Marte. Ciò era
dovuto alle particelle ricche di ferro sollevate dalle tempeste di polvere
che accadono di tanto in tanto su Marte. Il colore del cielo marziano
cambierà secondo le condizioni atmosferiche. Dovrebbe essere blu quando
non ci sono state tempeste recenti, ma sarà comunque più scuro del cielo
diurno terrestre a causa dell’atmosfera più rarefatta di Marte.

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