Quel cielo azzurro perfetto punteggiato di nuvole è un complimento della diffusione di Rayleigh. Manuel Breva Colmeiro/Moment/Getty Images Cieli blu, sorridendomi / Vedo nient'altro che cieli azzurri... -- Irving Berlin Se ti sei mai chiesto perché, come Irving Berlino, vedi "nient'altro che cieli blu, "Sei in buona compagnia. Ci sono voluti molti secoli e molte persone intelligenti - incluso Aristotele, Isacco Newton, Tommaso Giovani, James Clerk Maxwell e Hermann von Helmholtz - per trovare la risposta, in parte perché la soluzione racchiude tante componenti:i colori alla luce del sole, l'angolo con cui l'illuminazione solare viaggia attraverso l'atmosfera, la dimensione delle particelle sospese nell'aria e delle molecole atmosferiche, e il modo in cui i nostri occhi percepiscono il colore.
Togliamo per un momento il cielo dall'equazione e iniziamo osservando il colore. Dal punto di vista della fisica, il colore si riferisce alle lunghezze d'onda della luce visibile che esce da un oggetto e colpisce un sensore, come un occhio umano. Queste lunghezze d'onda potrebbero essere riflesse, o sparpagliato , da una fonte esterna, oppure potrebbero provenire dall'oggetto stesso.
Il colore di un oggetto cambia a seconda dei colori contenuti nella sorgente luminosa; Per esempio, vernice rossa, visto sotto la luce blu, sembra nero. Isaac Newton dimostrò con un prisma che la luce bianca del sole contiene tutti i colori dello spettro visibile, quindi tutti i colori sono possibili alla luce del sole.
A scuola, la maggior parte di noi ha imparato che una banana appare gialla perché riflette la luce gialla e assorbe tutte le altre lunghezze d'onda. Questo non è esatto. Una banana sparge tanto arancione e rosso quanto giallo, e disperde tutti i colori dell'intervallo visibile in un modo o nell'altro [fonte:Bohren]. Il vero motivo per cui sembra giallo è legato al modo in cui i nostri occhi percepiscono la luce. Prima di entrare in questo, però, vediamo di che colore è effettivamente il cielo.
Lo faremo dopo.
Come le banane, atomi, molecole e particelle nell'atmosfera assorbono e diffondono la luce. Se non l'hanno fatto, o se la Terra non avesse atmosfera, percepiremmo il sole come una stella luminosissima tra le altre in un cielo di notte perenne. Non tutte le lunghezze d'onda nello spettro della luce visibile si disperdono allo stesso modo, però. Più corto, lunghezze d'onda più energetiche, verso l'estremità viola dello spettro, disperdersi meglio di quelli verso il più lungo, meno energico, fine rossa. Questa tendenza è dovuta in parte alla loro maggiore energia, che permette loro di giocare a ping-pong di più, e in parte alla geometria delle particelle con cui interagiscono nell'atmosfera.
Nel 1871, Lord Rayleigh ha derivato una formula che descrive un sottoinsieme di queste interazioni, in cui le particelle atmosferiche sono molto più piccole delle lunghezze d'onda della radiazione che le colpisce. Il modello di diffusione di Rayleigh ha mostrato che, in tali sistemi, l'intensità della luce diffusa varia inversamente alla quarta potenza della sua lunghezza d'onda. In altre parole, lunghezze d'onda più corte - come il blu e il viola - si disperdono molto più di quelle lunghe quando le particelle - come le molecole di ossigeno e azoto - sono relativamente piccole. In queste condizioni, anche la luce diffusa tende a disperdersi equamente in tutte le direzioni, ecco perché il cielo appare così saturo di colore [fonte:Bohren].
Se fossimo così sciocchi da guardare direttamente il sole, vedremmo tutte le lunghezze d'onda, perché la luce raggiungerebbe direttamente i nostri occhi. Ecco perché il sole e l'area circostante sembrano bianchi. Quando distogliamo lo sguardo dal sole, al cielo limpido, vediamo la luce per lo più da corto, lunghezze d'onda sparse come il viola, indaco e blu.
Allora perché il cielo non appare viola invece che azzurro? Gli occhi ce l'hanno. I tuoi occhi percepiscono il colore usando strutture chiamate coni . Le tue retine sono irte di circa 5 milioni di coni ciascuna, composto da tre tipi specializzati nel vedere colori diversi [fonte:Schirber]. Sebbene ogni tipo di cono sia più sensibile a determinate lunghezze d'onda di picco, le gamme dei tipi di cono si sovrappongono. Di conseguenza, diversi spettri e combinazioni spettrali possono essere rilevati come lo stesso colore.
A differenza dei nostri sensi uditivi, che può riconoscere i singoli strumenti in un'orchestra, i nostri occhi e il nostro cervello interpretano determinate combinazioni di lunghezze d'onda come un unico, colore discreto. Il nostro senso visivo interpreta la luce blu-viola del cielo come una miscela di luce blu e bianca, ed è per questo che il cielo è azzurro.
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La striscia del tramontoIl colore del cielo può cambiare in base alla polvere, inquinamento e vapore acqueo, che influenzano l'assorbimento e la dispersione della luce solare in modo diverso. La sfumatura rossastra dei tramonti è dovuta principalmente al fatto che la luce del sole viaggia attraverso più atmosfera per raggiungere i nostri occhi. Quando arriva la luce, è stato privato delle lunghezze d'onda più corte, che si sono dispersi, lasciando solo la lunghezza d'onda più lunga, illuminazione diretta dei toni più rossi della luce solare.
