Perché il cielo è blu: interazione della luce con le molecole dell’atmosfera o dello spirito della scienza.

Marsicano all’anagrafe, vagabondo senza pace per inseguire sogni.

Sono nato ad Avezzano, in Abruzzo,  nel 1987, mi sono laureato in ingegneria aerospaziale al Politecnico di Torino e in ingénierie généraliste all’École Centrale de Lyon (ÉCL), a Lione, in Francia.

All’ÉCL, ho ottenuto anche un dottorato di ricerca in fluidodinamica e acustica.

Dopo un post-dottorato al Laboratoire de Mécanique et d’Acoustique di Marsiglia (Francia) e un’esperienza da ricercatore all’Embry-Riddle Aeronautical University di Daytona Beach (Florida, USA), ho iniziato a lavorare in qualità di “junior scientist” presso il NATO STO – Centre for Maritime Research and Experimentation, a La Spezia.

Amo imparare nuove cose e comprendere le cause di quel che accade, perché, come cantava qualcuno, “è magica la luce che disegna le ombre”.

Roberto Sabatini  (nella foto)

di Roberto Sabatini

 

“Qui ci sono dei campi bellissimi con ulivi dalle foglie grigio argento, come salici cimati. Non mi stanco mai del cielo azzurro”, scrisse van Gogh in una lettera alla madre Anna, il 2 luglio 1889 [1].

È probabile, anzi certo, che il pittore olandese, al pari dei poeti, conservò per tutta la vita  quella capacità di meravigliarsi delle piccole cose che è propria dei bambini.

Ma perché il cielo è blu?

Questa domanda, forse una delle prime che un fanciullo curioso pone ai suoi genitori, ha appassionato sin dai tempi antichi i giganti della filosofia e della scienza, da Aristotele a Newton.

E l’apparente banalità del quesito lascia increduli coloro che scoprono che i primi passi verso una risposta scientificamente corretta non furono mossi prima del 1871, allorché il fisico britannico John William Strutt barone di Rayleigh pubblicò il celebre articolo “On the light from the sky, its polarization and colour” [2].

John William Strutt

Soltanto due anni prima, nel 1869, lo scienziato irlandese John Tyndall scriveva [3]: “il colore del cielo e la polarizzazione della luce […] costituiscono, secondo le nostre più eminenti autorità, i due grandi enigmi della metereologia”.

John Tyndall

D’altra parte, sebbene un tale quesito sia diffusamente considerato infantile, idee erronee sulle cause del fenomeno cromatico continuano a propagarsi, segnatamente tra gli incolti o tra gli adepti dell’antiscientismo, mentre la giusta interpretazione viene spesso ignorata.

Il blu del cielo è il complesso risultato di tre ingredienti principali [4]: la luce solare, combinazione di numerosi colori o, più precisamente, di lunghezze d’onda; le particelle costituenti l’atmosfera terrestre, che, illuminate da una tale combinazione cromatica, diffondono prevalentemente le corte lunghezze d’onda, come il blu e il violetto; infine, l’apparato visivo umano, molto più sensibile al blu che al violetto.

In buona sostanza, il blu sopra i nostri occhi è il colore da noi percepito della luce che le particelle atmosferiche emanano quando vengono investite dai raggi solari.

Descrivere scientificamente il fenomeno appena illustrato esula dallo scopo del presente articolo e non sarebbe comunque fattibile senza ricorrere a un complesso armamentario di teorie fisiche e formule matematiche.

È tuttavia possibile analizzare il tema più a fondo e avvicinarsi alle suddette conclusioni tramite il solo uso della deduzione, come provato dalle parole pronunciate il 22 dicembre 1968 dal fisico indiano Chandrasekhara Venkata Raman, in occasione della cerimonia di posa della prima pietra del Community Science Center della città indiana di Ahmedabad (5)

Chandrasekhara Venkata

La dissertazione del premio Nobel indiano trascende la mera spiegazione delle cause del colore del cielo e si presenta come un inno celebrativo di quel modo di ragionare che sta a fondamento della conoscenza scientifica.

E in questo risiede la bellezza del suo discorso, di cui mi preme riportare, nelle righe seguenti, alcuni estratti salienti liberamente tradotti e rielaborati.

“Perché il cielo è blu?” Questa è una domanda molto interessante […].

Il miglior modo per rispondere a un quesito consiste nel porne un altro.

Nella notte, noi tutti vediamo le stelle che brillano nel cielo. […] Ma allora perché non le vediamo durante il giorno? […] Ebbene, la ragione dev’essere che qualcosa si interpone fra il nostro pianeta e gli astri.

Più precisamente, la Terra, come una donna, si nasconde, si nasconde dietro un velo.

Il cielo è come un velo.

E durante il giorno è impossibile vedere le stelle perché tale velo le nasconde.

Ma cos’è questo velo?

Deve ovviamente trattarsi dell’atmosfera terrestre.

Questo velo, che nella notte è così trasparente da permetterci di contemplare la Via Lattea, ci preclude, nelle ore diurne, la vista delle stelle.

C’è dell’altro.

Durante il giorno, il cielo è blu soltanto in ragione dell’assenza di veli di maggior spessore, come ad esempio quelle nuvole lassù a Ovest.

Più il cielo è terso, più ci appare blu.

Pertanto, il cielo non è sempre blu: a volte è blu, altre no. Ancora un indizio.

L’atmosfera è illuminata dai raggi del sole.

È a causa di quest’ultimi che il velo che ci ricopre si colora di blu di giorno e diviene trasparente di notte.

A questo punto il bambino curioso che è in noi potrebbe chiedersi perché la luna non produca il medesimo effetto sul

colore del cielo.

La risposta ovvia è che la luce lunare è di gran lunga meno intensa.

Ma questo confronto fra la luce del sole e quella riflessa e diffusa dalla luna ci porta a un’altra

considerazione fondamentale.

Il cielo è blu perché il sole è brillante.

La luna è meno brillante e non ci permette di percepire il colore del cielo.

Un colore può essere percepito solo in presenza di illuminazione.

Maggiore è il grado di illuminazione, maggiore appare la luminosità dei colori.

Ora, quello appena descritto è un principio fondamentale.

Il colore è ciò che i nostri occhi percepiscono quando le cose che ci circondano sono sufficientemente illuminate.

Per percepire i colori occorre dunque un elevato livello di illuminazione: durante il giorno, il nostro velo appare

blu perché il sole è estremamente brillante, mentre, nella notte, la luce proveniente dalla luna è infinitamente meno intensa.

In assenza di illuminazione, il “senso del colore” svanisce.

Questa è una caratteristica fondamentale dell’occhio umano e il discorso fatto sinora è frutto soltanto dell’osservazione e del pensiero razionale.

[…] Noi sappiamo che la luce bianca è la somma di tutti i colori, dal rosso al violetto.

Tuttavia, il velo atmosferico ci appare blu.

Cosa accade al resto dei colori? […]

È evidente che l’intensità degli altri colori viene in qualche modo ridotta.

E quale fenomeno provoca questa “diminuzione di intensità”? […]

La risposta è la seguente: le particelle atmosferiche, investite dai raggi solari costituiti da un ampio spettro di colori, diffondono prevalentemente le corte lunghezze d’onda (come il blu e il violetto).

Questa è una scoperta, a cui si giunse molto lentamente.

Il fisico che per primo propose tale ipotesi fu Lord Rayleigh.

Avrei potuto rivelarvi la causa del colore del cielo sin dall’inizio.

C’è un però.

Alla domanda “perché le foglie sono verdi?” un botanista potrebbe rispondere: “a causa della clorofilla”.

Analogamente, al quesito “perché il cielo è blu?” avrei potuto replicare: “per effetto della diffusione ottica delle particelle atmosferiche”.

Non l’ho fatto perché  intendo sottolineare che lo spirito della scienza non è di trovare risposte brevi.

Lo spirito della scienza consiste nello scavare sempre più a fondo.

Non bisogna mai accontentarsi, occorre guardarsi attorno e pensare a ogni sorta di domanda.

Ad esempio, perché le molecole atmosferiche diffondono prevalentemente le

corte lunghezze d’onda? […]

Per rispondere, consideriamo un grande lago e supponiamo che un forte vento generi un moto ondoso.

Un piccolo tronco di legno eventualmente gettato in acqua sarebbe continuamente mosso, spostato e trascinato dai flutti.

Perché?

Semplicemente perché il tronco ha dimensioni comparabili a quelle dell’onda.

Al contrario, le acque procellose non disturberebbero un grande battello.

L’effetto del moto ondoso è maggiore su oggetti di dimensioni vicine alla distanza fra due creste d’onda.

Qualcosa di simile accade quando i raggi solari investono le particelle atmosferiche.

Queste ultime hanno un diametro molto più piccolo delle lunghezze d’onda che compongono la luce solare, per cui diffondono prevalentemente le onde corte. […]

Sono arrivato alla conclusione del mio intervento.

È ormai chiaro che il vero argomento del discorso non è stato il colore del cielo, bensì lo spirito della scienza. Che cos’è la scienza? Come

possiamo fare avanzare la scienza? […] Il nostro ragionamento ci ha portato a interrogarci sull’interazione della luce con le molecole dell’atmosfera.

Possiamo allora chiederci: “cosa sono le molecole?”.

E questa domanda ne genera altre. Molte altre.

La scienza non si ferma mai: è un processo in divenire e inesauribile.

Una nuova scoperta apre nuove strade per altre scoperte.

Una nuova scoperta rinnova continuamente la scoperta dell’infinità di ciò che rimane da scoprire.»

 

—————-

 

Riferimenti

  1. Vincent van Gogh. Letter 788 to Anna van Gogh-Carbentus. Saint-Rémy-de-Provence,

between about Monday, 8 July and about Friday, 12 July 1889.

  1. J. W. Strutt. “On the light from the sky, its polarization and colour.” The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, volume 41, number

271, pages 107–120,1871.

  1. J. Tyndall. “On the blue colour of the sky, the polarization of skylight, and on the polarization of light by cloudy matter generally.”Proceedings of the Royal Society of London,

volume 17, pages 223–233, 1869.

  1. C. F. Bohren & A. B. Fraser. “Colors of the sky,” The Physics Teacher, volume 23,

number 5, pages = 267–272, 1985.

  1. C.V. Raman’s lecture delivered on December 22, 1968 on the Foundation Stone-laying

ceremony of the Community Science Center, Ahmedabad.