La combinazione di un cielo blu, scuro in alto, più chiaro vicino all’orizzonte, insieme a un sole arrossato… all’alba o al tramonto, può essere spiegata scientificamente, insieme al colore blu degli oceani come fenomeno indipendente. Ecco la scienza di come funziona.
Se sei mai stato curioso del mondo in cui vivi, probabilmente ti sei chiesto perché il cielo è blu. Le risposte errate che le persone spesso danno in risposta includono:
- che la luce del sole ha una tinta blu,
- che l’ossigeno stesso è un gas di colore blu,
- o che il cielo riflette gli oceani.
Mentre nessuna di queste risposte è corretta, l’ultimo tentativo solleva una domanda correlata che la gente spesso si pone: perché gli oceani sono blu?
Visto dallo spazio, il pianeta Terra è spesso descritto come un pallido punto blu, ma sono solo gli oceani ad apparire di colore blu. I continenti, le nuvole e le calotte di ghiaccio non appaiono affatto blu; sono gli oceani, non l’atmosfera, a dare al nostro pianeta il suo colore complessivo. Per migliaia di anni, l’umanità ha dovuto semplicemente accettare queste proprietà del nostro mondo come fatti. Ma con i progressi della scienza moderna, capiamo perché sia il cielo che gli oceani sono blu.
Quando il Sole è alto, il cielo verso lo zenit è di un blu molto più scuro, mentre il cielo… verso l’orizzonte è di un colore ciano più chiaro e luminoso. Questo è dovuto alla maggiore quantità di atmosfera, e alla maggiore quantità di luce diffusa, che è visibile ad angoli bassi sul cielo.
Karsten Kettermann /
Contrariamente a quanto si potrebbe aver letto, non c’è un singolo fattore responsabile dei cieli blu della Terra. I cieli non sono blu perché la luce del sole ha una tinta blu; il nostro Sole emette luce di molte lunghezze d’onda diverse, e questa luce si somma per essere un colore bianco netto. L’ossigeno stesso non è un gas di colore blu, ma piuttosto è trasparente alla luce. Tuttavia, ci sono una miriade di molecole e particelle più grandi nella nostra atmosfera che giocano un ruolo, disperdendo la luce di diverse lunghezze d’onda in quantità diverse. L’oceano non gioca alcun ruolo nel colore dei cieli, ma la sensibilità dei nostri occhi assolutamente sì: non vediamo la realtà così com’è, ma piuttosto come i nostri sensi la percepiscono e il nostro cervello la interpreta.
Questi tre fattori – la luce del Sole, gli effetti di dispersione dell’atmosfera terrestre e la risposta dell’occhio umano – sono ciò che si combinano per dare al cielo il suo aspetto blu.
Animazione schematica di un raggio continuo di luce che viene disperso da un prisma. Se tu avessi occhi ultravioletti… e infrarossi, saresti in grado di vedere che la luce ultravioletta si piega ancora di più della luce viola/blu, mentre la luce infrarossa rimarrebbe meno piegata della luce rossa.
LucasVB / Wikimedia Commons
Quando facciamo passare la luce solare attraverso un prisma, possiamo vedere come si divide nelle sue singole componenti. La luce a più alta energia è anche la luce di lunghezza d’onda più corta (e ad alta frequenza), mentre la luce a più bassa energia ha lunghezze d’onda più lunghe (e basse frequenze) delle sue controparti ad alta energia. La ragione per cui la luce si divide è che la lunghezza d’onda è la proprietà critica che determina il modo in cui la luce interagisce con la materia.
I grandi fori nel tuo microonde permettono alla luce visibile di lunghezza d’onda corta di entrare e uscire, ma tengono dentro la luce a microonde di lunghezza d’onda più lunga, riflettendola. I sottili rivestimenti dei tuoi occhiali da sole riflettono la luce ultravioletta, violetta e blu, ma lasciano passare i verdi, i gialli, gli arancioni e i rossi di lunghezza d’onda maggiore. E le minuscole particelle invisibili che compongono la nostra atmosfera – molecole come l’azoto, l’ossigeno, l’acqua, l’anidride carbonica, così come gli atomi di argon – disperdono la luce di tutte le lunghezze d’onda, ma sono preferibilmente più efficienti nel disperdere la luce più blu, di lunghezza d’onda più corta.
La dispersione di Rayleigh colpisce la luce blu più gravemente del rosso, ma delle lunghezze d’onda visibili,… la luce violetta è la più dispersa. È solo grazie alla sensibilità dei nostri occhi che il cielo appare blu e non viola. La luce visibile di lunghezza d’onda più lunga e quella di lunghezza d’onda più corta hanno una differenza nello scattering di Rayleigh di quasi un intero ordine di grandezza.
C’è una ragione fisica dietro questo: tutte le molecole che compongono la nostra atmosfera hanno dimensioni più piccole delle varie lunghezze d’onda della luce che l’occhio umano può vedere. Le lunghezze d’onda che sono più vicine alle dimensioni delle molecole presenti si disperdono in modo più efficiente; quantitativamente, la legge a cui obbedisce è nota come dispersione di Rayleigh.
La luce violetta al limite della lunghezza d’onda corta di ciò che possiamo vedere si disperde oltre nove volte più frequentemente della luce rossa, a lunghezza d’onda lunga, all’altra estremità della nostra visione. Questo è il motivo per cui, durante le albe, i tramonti e le eclissi lunari, la luce rossa può ancora passare efficacemente attraverso l’atmosfera, ma le lunghezze d’onda più blu della luce sono praticamente inesistenti, essendo state preferibilmente disperse.
Alcuni materiali opalescenti, come quello mostrato qui, hanno proprietà di diffusione di Rayleigh simili a… l’atmosfera. Con la luce bianca che illumina questa pietra dall’alto a destra, la pietra stessa disperde la luce blu, ma permette alla luce arancione/rossa di passare preferibilmente senza ostacoli.
Siccome le lunghezze d’onda più blu della luce sono più facili da disperdere, qualsiasi luce solare diretta in arrivo diventerà sempre più rossa quanto più atmosfera attraversa. Il resto del cielo, tuttavia, sarà illuminato dalla luce solare indiretta: luce che colpisce l’atmosfera e poi viene reindirizzata verso i tuoi occhi. La stragrande maggioranza di questa luce avrà una lunghezza d’onda blu, che è il motivo per cui il cielo è blu durante il giorno.
Prenderà una tonalità più rossa solo se c’è abbastanza atmosfera per disperdere la luce blu prima che raggiunga i tuoi occhi. Se il Sole è sotto l’orizzonte, tutta la luce deve passare attraverso grandi quantità di atmosfera. La luce più blu viene dispersa in tutte le direzioni, mentre la luce più rossa è molto meno probabile che venga dispersa, il che significa che prende un percorso più diretto verso i tuoi occhi. Se sei su un aereo dopo il tramonto o prima dell’alba, puoi avere una vista spettacolare di questo effetto.
Da altitudini molto elevate nei cieli prima dell’alba o dopo il tramonto, si può vedere uno spettro di colori,… causato dalla dispersione della luce solare, più volte, da parte dell’atmosfera. La luce diretta, da vicino all’orizzonte, arrossisce enormemente, mentre lontano dal Sole, la luce indiretta appare solo blu.
Questo potrebbe spiegare perché i tramonti, le albe e le eclissi lunari sono rosse, ma potrebbe lasciarvi a chiedervi perché il cielo appare blu invece che viola. In effetti, c’è effettivamente una maggiore quantità di luce viola proveniente dall’atmosfera rispetto alla luce blu, ma c’è anche un mix di altri colori. Poiché i nostri occhi hanno tre tipi di coni (per il rilevamento dei colori), insieme ai bastoncelli monocromatici, sono i segnali di tutti e quattro che devono essere interpretati dal nostro cervello quando si tratta di assegnare un colore.
Ogni tipo di cono, più i bastoncelli, sono sensibili alla luce di diverse lunghezze d’onda, ma tutti vengono stimolati in qualche misura dal cielo. I nostri occhi rispondono più fortemente alle lunghezze d’onda della luce blu, ciano e verde che al violetto. Anche se c’è più luce violetta, non è sufficiente a superare il forte segnale blu che il nostro cervello emette, ed è per questo che il cielo appare blu ai nostri occhi.
La prima vista con occhi umani della Terra che sorge sul lembo della Luna. La scoperta della… Terra dallo spazio, con occhi umani, rimane uno dei risultati più iconici nella storia della nostra specie. L’Apollo 8, avvenuto nel dicembre del 1968, è stata una delle missioni precursori essenziali per il successo dello sbarco sulla Luna, che celebrerà il suo 50° anniversario questo luglio. Da notare che il colore blu della Terra è dovuto agli oceani, non all’atmosfera.
Gli oceani, d’altra parte, sono una storia completamente diversa. Se si dà un’occhiata al pianeta nel suo insieme, con una vista come quella che si ha dallo spazio, si noterà che i corpi idrici che abbiamo non sono di un blu uniforme, ma piuttosto variano nella loro tonalità in base alla profondità dell’acqua. Le acque più profonde sono di un blu più scuro; le acque meno profonde sono di un blu più chiaro.
Si noterà, se si guarda da vicino una foto come quella qui sotto, che le regioni acquose che confinano con i continenti (lungo le piattaforme continentali) sono di una tonalità di blu più chiara e cianografica rispetto alle profonde e scure profondità dell’oceano.
Gli oceani della Terra possono apparire blu, ma lungo le piattaforme continentali, appaiono di una tonalità più chiara… di blu rispetto alle parti più profonde dell’oceano. Questo non è un artefatto del modo in cui l’immagine è stata costruita, ma un fenomeno reale che dettaglia la differenza tra ciò che viene assorbito e riflesso dall’oceano stesso a varie profondità.
NASA / MODIS / Blue Marble Project
Se vuoi una prova più diretta che gli oceani stessi appaiono blu, potresti provare a immergerti sotto la superficie dell’acqua e registrare ciò che vedi. Quando lo facciamo, scattando una fotografia sott’acqua in luce naturale – cioè senza alcuna fonte di luce artificiale – possiamo immediatamente vedere che tutto assume una tonalità bluastra.
Più si scende, raggiungendo profondità di 30 metri, 100 metri, 200 metri e oltre, più tutto appare blu. Questo ha molto senso quando si ricorda che l’acqua, proprio come l’atmosfera, è anche fatta di molecole di una dimensione finita: più piccole delle lunghezze d’onda di qualsiasi luce che possiamo vedere. Ma qui, nelle profondità dell’oceano, la fisica della dispersione è un po’ diversa.
Se scendi giù in uno specchio d’acqua e lasci che l’ambiente circostante sia illuminato solo dalla… luce solare naturale dall’alto, scoprirai che tutto assume una tinta bluastra, poiché la luce rossa è la prima ad avere le sue lunghezze d’onda assorbite interamente.
Invece di diffondere, che è il ruolo primario dell’atmosfera quando la luce la attraversa, un liquido come l’acqua assorbe (o non assorbe) principalmente la luce. L’acqua, come tutte le molecole, ha una preferenza per le lunghezze d’onda che può assorbire. Piuttosto che avere una dipendenza diretta dalla lunghezza d’onda, l’acqua può assorbire più facilmente la luce infrarossa, la luce ultravioletta e la luce rossa visibile.
Questo significa che se scendete a una profondità anche modesta, non sperimenterete molto riscaldamento dal sole, sarete protetti dalle radiazioni UV, e le cose cominceranno a diventare blu, poiché la luce rossa viene portata via. Scendendo un po’ più in profondità, anche gli arancioni spariscono.
A profondità maggiori, quando il mare è illuminato dalla luce solare naturale dall’alto, non solo i colori rossi… ma anche gli arancioni e i gialli cominciano a sparire. Ancora più in basso, anche i verdi vengono assorbiti, lasciando solo una debole luce blu da osservare.
Dennis Jarvis di flickr
Più in basso, i gialli, i verdi e i viola iniziano a scomparire. Scendendo a profondità di diversi chilometri, finalmente anche la luce blu scompare, sebbene sia l’ultima a farlo.
Ecco perché le profondità oceaniche più profonde appaiono di un blu profondo e scuro: perché tutte le altre lunghezze d’onda vengono assorbite. I blu più profondi, unici tra tutte le lunghezze d’onda della luce in acqua, hanno la più alta probabilità di essere riflessi e riemessi all’esterno. Allo stato attuale, l’albedo medio globale (il termine tecnico per la riflettività) del nostro pianeta è 0,30, il che significa che il 30% della luce incidente viene riflessa nello spazio. Ma se la Terra fosse interamente un oceano di acque profonde, il nostro albedo sarebbe solo 0,11. L’oceano è in realtà piuttosto bravo ad assorbire la luce del sole!
Due emisferi compositi globali di dati Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS),… presi nel 2001 e 2002. Si noti che sono i nostri oceani, e solo i nostri oceani, che danno al nostro pianeta il suo aspetto blu dallo spazio.
NASA
Il cielo e l’oceano non sono affatto blu a causa dei riflessi; sono entrambi blu, ma ognuno per propria volontà. Se ci togliessimo del tutto gli oceani, un essere umano sulla superficie vedrebbe ancora il cielo blu, e se riuscissimo a toglierci il cielo (ma ci dessimo ancora in qualche modo acqua liquida sulla superficie), il nostro pianeta apparirebbe ancora blu.
Per il cielo, la luce blu del sole si disperde più facilmente, e ci arriva indirettamente da dove la luce solare colpisce l’atmosfera come risultato. Per gli oceani, la luce visibile di lunghezza d’onda più lunga viene assorbita più facilmente, quindi più sono profondi, più la luce rimanente appare blu scuro. Le atmosfere blu possono essere comuni per i pianeti, dato che anche Urano e Nettuno le possiedono, ma noi siamo gli unici che conosciamo con una superficie blu. Forse quando troveremo un altro mondo con acqua liquida sulla sua superficie, non saremo così soli in più di un modo!