Solo l’80-85% dei fotoni del Sole riesce a raggiungere direttamente il suolo senza subire interferenze esterne. Il rimanente 20-15% invece subisce il fenomeno dello scattering (diffusione della luce) quando viene a contatto con le molecole atmosferiche e l’aerosol. E’ proprio questa interazione che determina i colori del cielo. Per comprendere gli effetti di questa interazione si deve capire cosa succede nelle particelle che compongono l’atmosfera: essa è composta da una miscela di gas che filtra la luce proveniente da Sole scindendola nelle singole lunghezze d’onda e polarizzandola. Inoltre, durante la polarizzazione, le molecole diffondono i fotoni in misura inversamente proporzionale alla quarta potenza della loro lunghezza d’onda (diffusione di Rayleigh in “On the light from the sky, its polarization and color, Lord Rayleigh”: minore è la lunghezza d’onda, maggiore è l’intensità della diffusione ed in particolare il blu viene diffuso poco più di tre volte più del rosso). In altre parole le molecole, che hanno mediamente le stesse dimensioni delle lunghezze d’onda dei fotoni, li diffondono in tutte le direzioni, ma in misura decrescente dal viola verso il rosso. All’occhio giungono tutti i colori, ma il cielo sereno appare “azzurro” perché la componente blu è diffusa maggiormente. Tuttavia nell’atmosfera sono presenti anche altre particelle di dimensioni maggiori della lunghezza d’onda. Sono proprio queste che attenuano la vividezza dell’azzurro, così talvolta il cielo diviene arrossato o pallido. Invece quando i venti secchi allontanano queste particelle e rendono l’aria limpida il colore passa da “azzurro pallido” a “blu intenso”. Lo scattering avviene con molecole molto rarefatte e questo è riscontrabile anche con un esempio di vita quotidiana: lo stesso comportamento dell’atmosfera è visibile con il fumo di una sigaretta che all’inizio, essendo molto concentrato, è bianco, ma poi, via via che si espande diviene blu.
Come abbiamo visto, il cielo si arrossa durante i tramonti e le albe, a causa della rifrazione, della dispersione e dello scattering. Questi fattori incidono sulla propagazione della luce blu diminuendola a vantaggio della componente rossa ed in alcuni casi del verde. Per queste cause le nubi poco sopra l’orizzonte si arrossano anche in presenza di cielo limpido.
A seconda della forma e della dimensione delle molecole si ha una tipologia di dispersione variabile: In presenza di molecole grandi ed irregolari, come la polvere ed il fumo, si ha il backscattering, ovvero una diffusione luminosa irregolare proveniente dalla parte posteriore delle particelle. Esistono anche alcune tipi di molecole di aria che invece producono una diffusione simmetrica a trecentosessanta gradi con la componente luminosa omnidirezionale. Infine le grandi molecole di acqua generano elevata diffusione frontale e posteriore determinando la vividezza negli archi degli arcobaleni o i fenomeni antelici. Con fenomeni antelici s’intendono porzioni luminose di cielo poste a centoottanta gradi dal Sole.
Un esempio intuitivo di variazione di scattering è il fenomeno dell’Aureola. Per capirlo si deve osservare il Sole e porre l’attenzione sul bagliore che genera: alcuni giorni ci può essere un bagliore maggiore ed altri invece può sembrare più puntiforme e staccarsi nettamente dal fondo cielo. Il bagliore, ovvero l’Aureola, è causato dallo scattering delle particelle atmosferiche come la polvere, fumi, umidità, pollini ed acqua, che diffondono la luce ai lati del disco solare. Grandi quantità di queste molecole producono una aureola molto pronunciata.
Altri esempi sono costituiti nella fotografia dalle ore d’oro e dall’ora blu. La prima, detta anche magic hour, o golden hour è l’ora dopo l’alba e la prima dopo del tramonto. Durante questi periodi la luce ha una dominante molto calda e rende i dettagli fotografici notevolmente morbidi, intensi e dorati. Le sfumature che si possono fotografare variano dal rosso al viola, le ombre sono molto lunghe e gli scatti fotografici risultano piuttosto enfatici.
Con il termine “ora blu”, che deriva dal francese heure bleue, s’intende il periodo della giornata successivo al crepuscolo di circa quindici minuti in cui la luce diffusa è più fredda e quindi i fotografi riescono ad ottenere immagini con più penombre, colori desaturi, cielo più intenso e dominanti fredde.
Luce porpora ed Enrosadira
Quando il Sole è al disotto dell’orizzonte di circa 4-6 gradi, ovvero trenta minuti dopo il tramonto, o prima dell’alba, si può vedere sulla volta celeste un bagliore porpora che arriva fino a 45 gradi sopra il disco solare. Si tratta del fenomeno della “Luce porpora”. Questo fenomeno non è ancora del tutto spiegato, ma si crede che la causa principale sia lo scattering della luce derivante dalle polveri atmosferiche che si trovano nella stratosfera. Rimane più misteriosa la forma ad ovale del bagliore purpureo. Alcuni studiosi ritengono che lo scattering dei gas stratosferici sia sufficiente a determinare il fenomeno anche in assenza di polveri, anche se probabilmente la stratosfera non è mai prima di polveri.
L'Enrosadira avviene quando le cime più alte delle montagne vengono illuminate dalla luce del Sole, dopo che questo è già tramontato da 30 minuti, esse assumono la colorazione rosata. Questa colorazione diventa molto evidente quando viene in contrasto con il cielo blu ed il cono d’ombra della Terra. Il fenomeno è conosciuto anche col nome di “alpenglow” o “alpenglühen“ e varia di giorno in giorno in base alle condizione meteorologiche.
Colori del Sole e della Luna
Se domandassimo ad un bimbo quale sia il colore del Sole, risponderebbe: bianco di giorno e rosso al tramonto. La risposta non è sbagliata, ma solo imprecisa: la nostra stella emette principalmente nella lunghezza d’onda di 500nm, quindi il suo vero colore è giallo-verde. Questo è il suo vero colore che si dovrebbe vedere quando è alto in cielo, ma non viene percepito a causa della forte intensità luminosa. Al tramonto invece lo vediamo rosso perché interviene lo scattering di Rayleigh, ovvero la diffusione atmosferica che lo filtra. Lo scattering è sempre presente ma gli effetti sono visibili maggiormente quando i raggi luminosi percorrono obliquamente l’atmosfera.
Il colore della Luna è tipicamente grigio neutro, ma viene percepito diversamente in funzione della elevazione dell’astro sulla volta celeste: quando il disco è alto in cielo la Luna è bianco-gialla perché riflette la luce solare che è giallastra, ma viene percepita più bianca di quanto lo sia realmente; quando è in prossimità dell’orizzonte i colori osservabili sono il rosso, l’arancione ed il giallo oro. Queste variazioni dipendono dallo scattering di Rayleigh
, dal grado di umidità e dall’elevazione dell’astro. Talvolta può apparire “quasi verde” se osservata tra le nubi porpora basse al crepuscolo. In realtà il colore verde deriva da un processo cognitivo: il contrasto tra il rosso del crepuscolo ed il grigio della disco lunare inganna il cervello che fa credere all’osservatore di vedere la Luna con la dominante verte.
Durante le eclissi, il disco lunare viene oscurato ed assume una colorazione color rame. L’intensità del colore cambia per ogni eclisse, dipendendo dallo stato fisico-chimico dell’atmosfera, dal ciclo delle macchie solari e dalla traiettoria con cui la Luna entra nell’ombra terrestre. L’astronomo francese Andrè Danjon ha ideato una scala da 0 a 4 catalogando la tipologia cromatica delle eclissi totali di Luna: i colori variano dal “rosso chiaro-arancione” per il valore 4 al “rosso scuro-quasi nero” per il valore 0.
