I colori del cielo osservato cambiano a seconda dell'ora del giorno. In condizioni di cielo sereno, nelle ore pomeridiane, è visibile un blu intenso, ma all'alba e al tramonto compaiono i colori giallo, arancione e rosso. I colori che vediamo nel cielo sono il risultato di un fenomeno ottico chiamato scattering di Rayleigh.
Luce come onda elettromagnetica
La luce proveniente dal Sole non è altro che un’onda elettromagnetica . La radiazione elettromagnetica è uno dei modi in cui l’energia si propaga nello spazio. Ordinando le onde elettromagnetiche secondo i loro parametri caratteristici, ad esempio frequenza, lunghezza, ecc., si ottiene uno spettro. Lo spettro elettromagnetico rappresenta tutti i tipi di radiazione che esistono nell’universo. La luce visibile (range da 380 nm a 780 nm) è solo una piccola parte dell’intero spettro elettromagnetico, ovvero la parte che siamo in grado di vedere. Si comporta sia come un’onda, sia come un flusso di particelle. Questo fenomeno è chiamato dualità onda-particella. La luce bianca viene creata combinando diversi colori semplici, chiamati colori primari. Sono visibili, ad esempio, come un arcobaleno (luce bianca dispersa nelle goccioline d’acqua). All’interno dello spettro elettromagnetico corrispondente alla luce bianca, la luce rossa ha la lunghezza d’onda più lunga e la luce viola quella più corta.
Perché vediamo colori specifici?
Ogni gamma dello spettro della luce bianca ha colori specifici assegnati. Tale radiazione che cade su un particolare oggetto verrà assorbita o riflessa da esso. Ad esempio, una foglia che riceve luce la assorbe, ad eccezione della lunghezza d’onda verde. Il frammento non assorbito dello spettro è sparso in tutte le direzioni. Parte di questa radiazione raggiungerà l’occhio e il cervello "dirà" che la foglia è verde. Osserviamo altri colori in modo simile, ad esempio il rosso fragola. Leggi di più qui .
Diffusione di Rayleigh
Guardando il cielo, stiamo effettivamente osservando la parte dell’atmosfera che è visibile dalla superficie della Terra. L’onda luminosa proveniente dal Sole non viaggia in linea retta. Incontra una serie di ostacoli sulla sua strada. Si tratta di molte molecole (principalmente azoto e ossigeno), polvere, goccioline d’acqua e cristalli di ghiaccio sospesi nell’aria. Provocano la dispersione della luce visibile, il suo riflesso o assorbimento. Affinché le radiazioni raggiungano la Terra, devono attraversare tutti questi ostacoli. Si scopre che quando cade su particelle sospese nell’atmosfera, la luce viene diffusa e, dall’intero spettro, il colore blu è il più colpito. Questo effetto è chiamato scattering di Rayleigh ed è responsabile del colore blu del cielo. Nel 1899, John Rayleigh dimostrò che l’intensità della luce diffusa è inversamente proporzionale alla quarta potenza della lunghezza d’onda. Ciò significa che la luce blu (che vediamo nel cielo) è quattro volte più diffusa della luce rossa perché ha una lunghezza d’onda più corta nello spettro della luce bianca. Tuttavia, le lunghezze d’onda corrispondenti al colore viola sono più corte, quindi il cielo dovrebbe essere viola. Perché non è così? Uno dei motivi di questo fenomeno è che l’intensità della radiazione viola che raggiunge la Terra è molto inferiore. Inoltre, i nostri occhi sono diverse centinaia di volte meno sensibili alla luce viola rispetto a quella blu. 
Altri colori del cielo
Il modo in cui vediamo il cielo è causato dal fenomeno dello scattering di Rayleigh, secondo il quale le lunghezze d’onda corte, responsabili del colore blu, sono molto più diffuse rispetto alle lunghezze d’onda lunghe. Tuttavia, il colore del cielo cambia durante il giorno. Il cielo blu si osserva solo per poche ore nel pomeriggio. Perché cambia all’alba e al tramonto? Perché quando il sole tramonta, il colore del cielo cambia dal blu, al giallo e infine al rosso intenso? Questo è legato al percorso che i raggi del sole devono percorrere per raggiungere la Terra. Quanto più basso è il Sole nella volta celeste, tanto maggiore è questa distanza. La luce bianca, quindi, cade con un piccolo angolo e le lunghezze d’onda più corte, cioè quelle assegnate ai colori viola e blu, vengono diffuse troppo e non raggiungono l’occhio dell’osservatore. Sono visibili solo i colori caratteristici delle lunghezze d’onda lunghe, cioè giallo e rosso. Provocano il caratteristico colore del cielo al tramonto. A titolo di curiosità, vale la pena ricordare che la formula proposta da Rayleigh si riferisce allo scattering su piccole particelle sospese nell’atmosfera. Non si riferisce ad esempio a gocce d’acqua o cristalli di ghiaccio. La dispersione su specie più grandi è spiegata dalla soluzione di Mie, descritta nel 1908. Dice che la luce bianca che cade, ad esempio, sulle nuvole, che sono costituite da particelle di acqua e ghiaccio, viene diffusa ugualmente, indipendentemente dalla lunghezza d’onda. Di conseguenza, le nuvole appaiono bianche. Leggi anche:come si descrivono i colori ?
