Perché il cielo è azzurro? Di che colore è il tramonto su Marte?

Il colore del sole

Iniziamo il nostro viaggio a cavallo della luce, punto di partenza il sole. Di che colore è la luce emessa dal sole? Per capirlo, pensiamo a uno tra i più affascinanti fenomeni naturali: l’arcobaleno. Dopo la pioggia si crea molta umidità, cioè l’aria si riempie di tantissime particelle d’acqua. La luce del sole attraversa le goccioline e giunge ai nostri occhi, osserviamo così l’arcobaleno. La luce del sole è quindi formata da tutti i colori e grazie alle particelle d’acqua si divide in tutte le sue componenti cromatiche, che risultano nell’arcobaleno nettamente distinguibili.

La luce composta da tutti i colori è detta luce bianca. Infatti il nostro cervello ci permette di visualizzare oggetti da cui proviene luce composta da tutti le colorazioni attraverso un unico colore che comunemente chiamiamo bianco. Ad esempio una maglietta bianca la vediamo in questo modo poiché essa è composta da un materiale capace di riflettere tutte le componenti cromatiche della luce solare che incide su di essa.

Percezione dei colori

La parte finale del viaggio della luce è nel nostro occhio, dove il segnale luminoso viene convertito in informazioni che il cervello trasforma infine in immagine.

Un bambino ci sta salutando in lontananza, come facciamo a vederlo? La luce del sole rimbalza sul corpo del bambino e giunge al nostro occhio. Al suo interno è presente una lente naturale, il cristallino, che fa convergere tutti i raggi provenienti dal bambino in un punto sulla retina.

Qui sono presenti i coni, delle cellule capaci di rilevare il colore della luce incidente. In particolare esistono solo tre tipi di coni, denominati rosso, verde e blu, in quanto contengono pigmenti sensibili a solo uno di questi colori. Ad esempio, se il bambino indossa una maglietta rossa, la luce proveniente da essa ecciterà solo il cono rosso, che trasmetterà l’informazione al cervello permettendoci di visualizzare la maglietta.

Come funziona invece per i colori intermedi? Se il bambino indossa delle scarpe gialle, allora si attiveranno insieme il cono rosso e il cono verde, che il cervello interpreta dando la percezione del giallo. Cioè l’uomo non è in grado di vedere esattamente tutte le componenti cromatiche di cui può essere costituito un fascio di luce, ma solo tre. Le altre stimolano, con certe proporzioni, contemporaneamente coni distinti, il cui effetto è tradotto dal nostro cervello tramite il sistema RGB (Red, Green, Blue) mostrato in figura.

Perciò si vede arancione se vengono azionati insieme il cono rosso e il verde ma con maggiore intensità il rosso. Il bianco invece è il risultato della stimolazione di tutti i coni insieme nello stesso modo.

Il malfunzionamento di uno o più tipi di coni provoca la mancata percezione di alcuni colori o la confusione tra di essi, come avviene nel daltonismo.

Perché vediamo il sole giallo?

Abbiamo detto che la luce del sole è bianca, ma allora perché, durante le ore centrali del giorno, lo percepiamo di colore giallo? Abbiamo fatto strada insieme alla luce, passando dal sole all’occhio, ma dimenticando di considerare il suo attraversamento nell’atmosfera terrestre. Se avvertiamo il giallo significa che sulla retina si sono attivati solo il cono rosso e verde, quindi che la luce bianca solare durante il passaggio nell’atmosfera ha perso buona parte della sua componente blu, che è proprio il colore del cielo. Sarà una coincidenza?

Perché il cielo è blu?

Come mai il raggio di luce bianca solare, che finisce dritto nei nostri occhi, attraversando l’atmosfera perde la componente blu, che invece si diffonde nel cielo? La risposta sta nel seguente comportamento della luce, detto diffusione. Spieghiamolo in termini semplici, con un paragone.

Immaginiamo che la luce bianca solare, costituita da tutti i colori, in analogia sia una canzone composta da tutte le note. Le particelle dell’aria terrestre sono appassionate di musica e decretano la loro classifica di gradimento: al primo posto la nota blu, al secondo la verde, all’ultimo la rossa. Al passaggio della canzone, le particelle afferrano una quantità di note di un certo tipo in base al loro gradimento e le lanciano in tutte le direzioni per farle ascoltare alle particelle vicine.

Questa è sostanzialmente la diffusione: La luce blu viene catturata in grande quantità e sparsa in tutte le direzioni nel cielo dalle molecole d’aria, facendo apparire il cielo blu e il sole come la sovrapposizione di verde e rosso, quindi giallo.

Perché il tramonto è tendente al rosso?

In fase di tramonto, la luce percorre in atmosfera un tragitto molto più lungo rispetto a quello percorso quando il sole è alto in cielo. Per questo motivo, più particelle d’aria agiscono sul raggio di sole e, oltre al blu, esse riescono a diffondere (acchiappare e spargere nel cielo) in grande quantità anche il verde, in quanto secondo in lista di gradimento. Per questo motivo del fascio di luce proveniente dal sole sopravvive solo il rosso e poco verde, facendo apparire il tramonto con le sue caratteristiche sfumature arancioni.

Per spiegare il motivo per cui le molecole d’aria prediligano il blu agli altri colori è necessario fare un passo indietro e comprendere più profondamente cosa sia la luce.

Cos’è la luce?

La luce è un’onda elettromagnetica, ma cosa significa? La prima immagine che ci passa per la mente quando si parla di onda è sicuramente quella di un’onda del mare. Per originarla è sufficiente lasciar cadere un sassolino in acqua. Il sasso, colpendo la superficie dell’acqua, la mette in oscillazione. Cioè provoca un continuo “sali e scendi” del livello del mare, che si propaga poi nello spazio, anche lontano dal punto di caduta del sasso.

Abbiamo usato con questo esempio tutte le parole necessarie a spiegare più in generale cosa si intenda in fisica per onda: una perturbazione che nasce da una sorgente (il sasso che colpisce l’acqua) e si propaga nel tempo e nello spazio.

Cosa si propaga? Nel caso dell’onda del mare l’altezza dell’acqua. Infatti essa risulta diversa tra punti vicini, conferendo alla superficie dell’acqua i consueti lineamenti ondulatori. Per quanto riguarda la luce a propagarsi sono invece i campi elettrico e magnetico, oggetti più astratti che non ci interessa approfondire in questo momento. Per ora ci basta capire che un’onda elettromagnetica è una perturbazione (del campo elettromagnetico astratto piuttosto che del livello dell’acqua) che nasce da una sorgente (il sole) e si propaga nello spazio e nel tempo.

Si dicono creste i punti più alti dell’onda. Come si può notare dall’immagine dell’onda nel lago, si formano tante creste circolari, ricordando proprio la periodicità dei punti di massima altezza nella cresta di un gallo. Si dice lunghezza d’onda la distanza tra due creste consecutive.

La luce visibile

Tornando alla luce, ogni lunghezza d’onda corrisponde ad un colore. L’occhio umano è sensibile a radiazione nello spettro di lunghezze d’onda tra i 390 e i 700 nanometri (corrispondenti a miliardesimi di metro, che d’ora in avanti denoteremo con “nm”), dal violetto al rosso. In particolare le proteine dei vari coni sulla retina sono sensibili rispettivamente a radiazione con lunghezza d’onda pari a 420nm (cono blu), 530nm (cono verde) e 560nm (cono rosso).

Curiosità sulla vista

Notiamo come la frequenza di eccitazione del cono rosso non corrisponda propriamente al rosso, ma al giallo. Infatti l’informazione viene elaborata dal cervello in base alla proporzione con cui vengono attivati i coni.

Ad esempio all’arrivo di luce rossa di 700 nm si attiverà solo il cono rosso, in quanto sensibile alla lunghezza d’onda più vicina ai 700 nm, traducendo tale informazione con la visualizzazione del colore rosso. Invece, all’arrivo di radiazione gialla di 580 nm, si attiveranno sia il cono rosso che quello verde, in quanto entrambi sensibili a lunghezze d’onda molto vicine a quella del giallo.

Lo sapevi che…

I colori rosa e marrone in realtà non esistono nello spettro visibile, ma corrispondono a nostre percezioni visive dovute alla simultanea attivazione, in determinate proporzioni, dei tre coni.

Come mai le particelle d’aria preferiscono il blu?

Quando la luce attraversa l’atmosfera interagisce con le particelle che la compongono. La diffusione consiste nell’assorbimento della radiazione da parte della materia e la sua successiva riemissione in tutte le direzioni. L’interazione che provoca il fenomeno della diffusione nel cielo terrestre è detto scattering Rayleigh.

Questo si riferisce al caso di particelle di dimensioni molto piccole rispetto alla lunghezza d’onda del fascio luminoso incidente. Il risultato è che vengono maggiormente diffuse le onde con più bassa lunghezza d’onda. Per visualizzare, è come se le onde lunghe fossero capaci di scavalcare le piccole molecole d’aria, ignorando la loro presenza. Questo giustifica l’ordine di gradimento con al primo posto il blu, poi il verde e infine il rosso.

Perché il cielo non è viola?

Abbiamo mentito: se è vero che viene maggiormente diffusa la luce con bassa lunghezza d’onda, allora il cielo dovrebbe apparire viola, essendo quest’ultimo l’estremo inferiore dello spettro visibile. Il motivo di ciò consta di una combinazione di molteplici ragioni:

La luce solare è sì composta da tutti i colori, ma non in uguale quantità. In particolare essa contiene più radiazione blu rispetto alla viola;
La luce viola viene, come spiegato con lo scattering Rayleigh, maggiormente assorbita rispetto al blu dall’atmosfera. Tuttavia, non tutta la luce assorbita dalle particelle d’aria viene riemessa producendo luce diffusa, ma una parte rimane all’atmosfera sotto forma di calore. Così una frazione del viola proveniente dalla luce solare viene trattenuto dalle molecole d’aria e non risulta in diffusione nel cielo;
La luce viola non viene percepita direttamente dall’occhio umano, così come tutti gli altri colori “intermedi”. Essa stimola i coni blu e leggermente i coni rossi.

Se dimentichiamo la luce viola, allora nel cielo viene diffusa molto la radiazione blu, mediamente la verde e pochissimo la rossa, facendo quindi apparire il cielo di tonalità celeste tendente al verde. Aggiungiamo il viola alla nostra analisi. Questo provoca l’ulteriore attivazione, nelle proporzioni già esplicate, dei coni blu e rosso. L’effetto complessivo sarà di un’ intensa sollecitazione del cono blu, insieme a una media dei coni verde e rosso. È questa la combinazione che consente di giustificare a pieno il colore celeste pallido del cielo.

Di che colore è il cielo e il tramonto sugli altri pianeti?

Come spiegato, questo dipende dalle dimensioni dei costituenti l’atmosfera del pianeta in esame. Ad esempio la Luna è completamente priva di atmosfera, perciò non avendo luogo la diffusione, il cielo risulterà scuro in tutte le fasi della giornata. Su Marte l’atmosfera è estremamente rarefatta, complessivamente pari circa all’1% di quella terrestre. Il pianeta non è altro che un enorme deserto di polveri. Queste, a causa della minore gravità, si sollevano molto in alto, saturando l’atmosfera. I granelli di polvere sono troppo grandi per sfruttare nuovamente lo scattering Rayleigh al fine di spiegare il colore del cielo. Il responsabile in questo caso è lo Scattering Mie: la luce rossa viene diffusa più del verde, che a sua volta è diffuso più del blu. Il cielo marziano risulta infine tendente al rosso, più precisamente con sfumature giallo-arancioni.

Incredibile ma vero, il tramonto su Marte sarà allora tendente al blu. Infatti al tramonto la luce solare percorre un tratto più lungo nell’atmosfera colma di polveri, con conseguente maggiore diffusione del verde. In questo modo la luce diretta dal sole arriva sul suolo marziano composta prevalentemente dalla componente blu accompagnata da poca radiazione verde, ottenendo un tramonto con tonalità azzurre.

a cura di Giuseppe Mansi