Perché il cielo è azzurro? E le nuvole bianche?

La luce visibile di colore bianco che proviene dal Sole è formata dalla sovrapposizione di onde elettromagnetiche di lunghezza variabile. La luce blu è diffusa in tutte le direzioni, per via della sua lunghezza d'onda più breve che quindi è rifratta dalle più piccole particelle degli strati più alti dell'atmosfera, al contrario degli altri colori. In qualunque direzione si osservi, una frazione di questa luce giunge ai nostri occhi. Infatti il cielo ci appare blu. Al tramonto invece il cielo appare arancione perché la luce del sole per raggiungere i nostri occhi deve attraversare un maggior spessore di atmosfera rispetto a quando il sole è a mezzogiorno, quindi la luce blu viene diffusa di più in più aria e ci raggiunge solo la luce rossa/arancione tipica del tramonto. Le nuvole invece appaiono bianche a causa della maggiore dimensione delle particelle che le compongono rispetto all'aria. Quindi esse diffondono i diversi colori della luce tutti allo stesso modo e quindi ci appaiono bianche (il bianco è l'insieme di tutti i colori). Il fenomeno della diffusione che colora il cielo e le nuvole è stato studiato da John William Strutt Rayleigh e prende il nome di scattering di Rayleigh. Non sempre il cielo è blu. Infatti il tramonto è rosso e la notte è addirittura nera. Questa semplice osservazione ci dice che uno dei principali responsabili del colore del cielo è la luce del Sole. Ma abbiamo bisogno di qualcos'altro oltre la luce. Abbiamo bisogno dell'atmosfera della Terra. Infatti i raggi di luce che partono dal Sole viaggiano nello spazio e ad un certo punto incontrano l'atmosfera terrestre. Ricordiamo, comunque, che i raggi di luce sono onde elettromagnetiche. In quanto tale la luce ha una lunghezza d'onda (o una frequenza se vogliamo) e, come sembra chiaro, un'onda luminosa si muove alla velocità della luce! L'atmosfera è invece fatta di particelle (atomi/molecole). Quello che avviene è un processo di selezione. Infatti la luce proveniente dal Sole non ha uno specifico colore, bensì appare bianca. Questo perché osserviamo tutte insieme le varie lunghezze d'onda della luce solare. Ognuno di noi conosce l'arcobaleno; quello che accade è che quando un'onda luminosa incontra una gocciolina di pioggia allora queste gocce si comportano come un prisma di vetro e separano la luce bianca del Sole nelle sue componenti a seconda della loro lunghezza d'onda. Dunque la luce del Sole non è altro che un insieme di onde che viaggiano insieme verso la Terra. Ma quando poi incontrano l'atmosfera qualcosa cambia. Ogni onda si comporta in maniera differente a seconda delle particelle che incontra. Ma con quale criterio? Il criterio è la relazione tra lunghezza d'onda e dimensioni della particella. La luce visibile che viene dal Sole ha lunghezza d'onda che dipende dal colore della luce. Si va dai 700 miliardesimi di metro della luce rossa ai 400 miliardesimi di metro della luce blu. Ora, ci sono particelle di polvere nell'atmosfera, molecole di vario genere e goccioline d'acqua. Polvere e goccioline sono molto più grandi della lunghezza d'onda di tutte le onde della luce solare e tutte le onde che vanno a sbattere contro queste particelle vengono diffuse in tutte le direzioni come una collisione tra palle del biliardo. Per quanto riguarda invece le altre molecole la situazione è differente. Infatti queste molecole sono più piccole delle onde di luce rossa ma più grandi delle onde di luce blu. Dunque cosa accade? Accade che la luce rossa non si accorge nemmeno di queste particelle e prosegue il suo viaggio indisturbata. Invece la luce blu impatta su queste molecole e viene diffusa in tutte le direzioni. Quindi vediamo il cielo blu. Ottimo, ma perché invece vediamo il cielo rosso al tramonto? Perché guardando verso l'orizzonte la luce solare deve attraversare uno strato di atmosfera più spesso che rispetto alle altre direzioni. Come risultato abbiamo una forte diffusione della luce blu in tutte le direzioni mentre la luce rossa ci arriva direttamente ai nostri occhi. E' come se ci fossero una serie di buttafuori che spazzano via le onde blu dalla nostra linea di vista in modo tale che vediamo solo la componente rossa. Questo spiega anche perché le nuvole sono bianche. Infatti le nuvole sono composte da particelle più grandi delle lunghezze d'onda della luce visibile. Così tutte le onde vengono diffuse ovunque e come risultato finale osserviamo la luce bianca. Proviamo a spiegare fisicamente (brevemente ) cosa succede in tutto questo trambusto. Gli attori del nostro film sono gli elettroni e le onde elettromagnetiche. Un elettrone è una particella con una carica elettrica. Un'onda luminosa è essenzialmente un campo elettrico. Un campo elettrico non è altro che una forza. Così quando un'onda sbatte su un elettrone esercita una forza su di esso e lo accelera. Inoltre, secondo la teoria elettromagnetica, una particella carica accelerata emette a sua volta onde elettromagnetiche. Quindi si ha un processo di assorbimento e emissione di onde elettromagnetiche da parte dell'elettrone. Nell'atmosfera, però, gli elettroni non sono liberi ma sono legati al nucleo degli atomi. La situazione è più complessa dunque. Comunque accade ancora il processo di assorbimento ed emissione di sopra, con la differenza che viene assorbita solo la luce blu. Perché? Possiamo immaginare il sistema elettrone-nucleo come una molla. Così abbiamo che, come ogni molla, ogni atomo ha una particolare frequenza con cui l'elettrone oscilla. Ora, quando l'elettrone è colpito da un'onda elettromagnetica (cioè da un campo elettrico, cioè da una forza) con una frequenza diversa da quella propria del sistema elettrone-nucleo allora l'elettrone non sarà accelerato troppo e non emetterà luce a quella frequenza. Se invece viene colpito da un'onda con la frequenza molto simile a quella di oscillazione del sistema elettrone-nucleo, ecco che allora l'elettrone viene accelerato e quindi emetterà onde a quella frequenza. Per capire tutto ciò possiamo pensare ad un'altalena con vostro figlio/a che oscilla con una certa frequenza. Se spingiamo in avanti nello stesso istante in cui esso/a torna indietro otteniamo l'effetto di ridurre la velocità dell'altalena; se invece spingiamo al momento giusto, un attimo prima di una nuova oscillazione, allora noi aumenteremo di molto la velocità del bimbo/a e lei/lui vi pregerà piangendo di smettere oppure, se si tratta di un tipo spericolato, di andare ancora più forte! La stessa cosa accade nell'atmosfera, dove voi genitore siete l'onda luminosa e il sistema altalena-figlio/a e il nostro nucleo-elettrone. Dunque l'effetto finale è che gli elettroni dell'atmosfera diffondono solo particolari lunghezze d'onda. Nel nostro caso le onde di luce blu. Possiamo dire, facendo il verso ad un vecchio film, che gli elettroni preferiscono le blu.