Perché il cielo è azzurro e cambia colore al tramonto

È una delle domande che i bambini rivolgono più spesso agli adulti, e una di quelle a cui gli adulti rispondono con maggiore imbarazzo: perché il cielo è azzurro? E perché, alla fine della giornata, si tinge di arancione, rosso e talvolta viola? La risposta non ha nulla a che vedere con il colore del mare, come si sente dire a volte, ma con il modo in cui la luce del Sole interagisce con l'aria che respiriamo. È un fenomeno fisico preciso, studiato a lungo dagli scienziati dell'Ottocento, che si può spiegare senza formule complicate.

La luce del Sole contiene tutti i colori

Per capire il colore del cielo bisogna partire dalla luce. Quella che arriva dal Sole ci sembra bianca, ma in realtà è la somma di tutti i colori dell'arcobaleno, dal rosso al violetto. Lo si vede bene quando un raggio attraversa un prisma di vetro o le goccioline di pioggia: la luce si scompone e mostra le sue diverse componenti.

Ogni colore corrisponde a una diversa lunghezza d'onda. Il rosso ha le onde più lunghe, il violetto e il blu quelle più corte. Questa differenza, apparentemente un dettaglio tecnico, è la chiave di tutto: le diverse lunghezze d'onda si comportano in modo diverso quando incontrano le particelle dell'atmosfera.

La diffusione di Rayleigh

L'atmosfera terrestre è composta soprattutto da molecole di azoto e di ossigeno, molto più piccole della lunghezza d'onda della luce visibile. Quando la luce solare le attraversa, una parte viene deviata in tutte le direzioni: è il fenomeno chiamato diffusione. Il fisico britannico Lord Rayleigh, nella seconda metà dell'Ottocento, dimostrò che questa diffusione è molto più intensa per le lunghezze d'onda corte. In termini semplici, la luce blu viene sparpagliata nel cielo con un'efficacia diverse volte superiore a quella della luce rossa.

Il risultato è che, ovunque guardiamo, al di fuori della direzione del Sole, i nostri occhi ricevono soprattutto la luce blu diffusa dalle molecole d'aria. Il cielo intero sembra così illuminato di azzurro, come se fosse una gigantesca sorgente luminosa. La luce rossa e gialla, invece, prosegue in gran parte in linea retta, e per questo il disco del Sole, a mezzogiorno, ci appare bianco giallastro.

Perché non viola

Se la diffusione favorisce le onde più corte, verrebbe da pensare che il cielo dovrebbe essere violetto, dato che il violetto ha una lunghezza d'onda ancora più corta del blu. Le ragioni per cui non lo vediamo così sono diverse. La luce solare contiene meno violetto che blu, e una parte del violetto viene assorbita negli strati alti dell'atmosfera. Soprattutto, però, entra in gioco il nostro occhio: i recettori della retina sono molto più sensibili al blu e al verde che al violetto. Il cervello combina tutti questi segnali e il risultato finale è quell'azzurro che conosciamo, più o meno intenso a seconda delle condizioni.

Il tramonto: un lungo viaggio nell'aria

Al tramonto e all'alba la situazione cambia. Quando il Sole è basso sull'orizzonte, la sua luce deve attraversare uno spessore di atmosfera molto maggiore rispetto a quando si trova alto nel cielo. Lungo questo percorso più lungo, la luce blu viene diffusa via quasi del tutto prima di raggiungere il nostro sguardo. Ciò che rimane sono le componenti con onde più lunghe: il giallo, l'arancione e il rosso.

È per questo che il Sole, mentre scende, assume tinte sempre più calde, e che le nuvole illuminate dal basso si accendono di rosa e di rosso. Le sfumature cambiano di minuto in minuto, man mano che l'angolo del Sole si riduce e il percorso della luce si allunga ancora.

Il ruolo di polvere, umidità e vulcani

Non tutti i tramonti sono uguali, e la ragione sta nelle particelle sospese nell'aria. Polveri, aerosol, goccioline d'acqua e fumi sono più grandi delle molecole di azoto e ossigeno e diffondono la luce in modo diverso, in maniera meno selettiva rispetto ai colori. Per questo, nelle giornate umide o in presenza di foschia, il cielo appare più pallido, quasi biancastro, mentre dopo un temporale, quando l'aria è stata ripulita dalla pioggia, l'azzurro torna intenso.

Le stesse particelle possono rendere i tramonti particolarmente spettacolari. Dopo le grandi eruzioni vulcaniche, che immettono nell'alta atmosfera enormi quantità di ceneri e composti dello zolfo, in molte parti del mondo sono stati osservati tramonti di colori straordinari. Accadde, per esempio, dopo l'eruzione del Krakatoa nel 1883 e dopo quella del Pinatubo nel 1991. Anche la sabbia sollevata dai venti del deserto, che talvolta raggiunge l'Italia, può tingere il cielo di sfumature giallastre e aranciate.

Perché le nuvole sono bianche

Lo stesso principio spiega il colore delle nuvole. Le goccioline d'acqua e i cristalli di ghiaccio che le compongono sono relativamente grandi e diffondono tutti i colori in modo quasi uguale. La somma di tutti i colori dà il bianco, ed è così che le nuvole ci appaiono. Quando sono molto spesse, però, la luce fatica ad attraversarle e la loro base diventa grigia o scura, come accade prima di un temporale. Allo stesso modo, quando il Sole è appena tramontato, le nuvole alte continuano a ricevere la sua luce rossa e arancione e diventano, per qualche minuto, la parte più colorata del cielo, mentre a terra è già quasi buio.

Un cielo diverso su altri pianeti

Il colore del cielo, dunque, dipende da che cosa contiene l'atmosfera. Su Marte, dove l'aria è molto rarefatta e carica di polvere finissima, il cielo diurno ha tinte rosate e giallastre, mentre i tramonti fotografati dalle sonde appaiono bluastri attorno al Sole: l'esatto contrario di quanto avviene sulla Terra. Un confronto che rende ancora più evidente come l'azzurro del nostro cielo sia il risultato di un equilibrio preciso tra la luce del Sole, la composizione dell'aria e il funzionamento dei nostri occhi.

La prossima volta che ci si fermerà a guardare un tramonto, si potrà pensare che quei colori sono la luce rimasta dopo un lungo viaggio attraverso l'atmosfera, mentre l'azzurro che manca sta illuminando, in quello stesso momento, il cielo di qualcun altro più a ovest.