Perché il cielo è blu? Per rispondere a questa domanda e per spiegare perché il cielo talvolta è blu intenso, talvolta biancastro malgrado l’assenza di nubi, è necessario avvalersi di alcuni principi di fisica di base.
Iniziamo con alcuni concetti di base di fisica. Ma non preoccupatevi, le descrizioni che vi proponiamo saranno di facile comprensione e senza formule.
La luce solare è percepita dall’essere umano di colore bianco. Essa è tuttavia composta da sette colori spettrali (rosso, arancione, giallo, verde, blu, indaco, viola), che hanno lunghezze d'onda diverse tra loro. Quando la luce del Sole attraversa un prisma di vetro o una goccia di pioggia, per effetto della rifrazione, la radiazione proveniente dal Sole viene “scomposta” in questi colori rendendoli visibili all’occhio umano. Ciò è possibile in quanto il fenomeno della rifrazione dipende dalla lunghezza d'onda. La luce violetta (caratterizzata da corta lunghezza d’onda) viene rifratta maggiormente rispetto alla luce rossa (che ha una lunghezza d’onda maggiore).
Nel suo percorso verso la Terra, la luce proveniente dal Sole incontra una vasta varietà di molecole e altre particelle liquide o solide sospese nell'aria (aerosol). Lungo il suo percorso lineare, una parte della luce viene diffusa e deviata in tutte le direzioni. In questo modo, attraversando l’atmosfera, una parte della luce proveniente dal Sole prosegue in linea retta (radiazione o luce diretta), mentre una parte di essa viene deviata (radiazione o luce diffusa).
Analizzando più da vicino la diffusione della luce nell'atmosfera, le cose si complicano un po'. Infatti, il modo con cui la luce viene diffusa dipende sia dalle dimensioni delle particelle coinvolte, sia dalla lunghezza d’onda della luce stessa.
Iniziamo analizzando da vicino i processi in presenza di particelle dalle dimensioni molto piccole (molecole d'aria, in alto a sinistra nel disegno). In questo caso, la diffusione dipende in modo marcato dalla lunghezza d'onda della luce. La luce blu (a lunghezza d’onda più corta) viene diffusa in modo circa 16 volte più efficiente rispetto alla luce rossa (che ha una lunghezza d’onda maggiore). Espresso in termini più matematici, l’intensità della luce diffusa è inversamente proporzionale alla quarta potenza della lunghezza d'onda. Un’altra caratteristica importante della diffusione provocata dalle molecole è che essa avviene in tutte le direzioni. La notevole dipendenza dalla lunghezza d'onda ha due effetti che possiamo constatare quasi ogni giorno:
L'atmosfera non è composta unicamente da molecole d'aria. A seconda delle condizioni atmosferiche, sono presenti nell’aria anche goccioline d'acqua e altri aerosol (particelle in sospensione) che hanno un diametro notevolmente maggiore a quello delle molecole d'aria. Di conseguenza, esse danno origine a un meccanismo di diffusione diverso rispetto alla diffusione di Rayleigh (vedi illustrazione in alto a destra) e praticamente indipendente dalla lunghezza d'onda della luce, ovvero la luce viene diffusa in misura analoga indipendentemente dalla sua lunghezza d’onda.
A differenza delle molecole, le goccioline o gli aerosol diffondono la luce del Sole prevalentemente in avanti (nella direzione del raggio di luce). Un semplice esempio che illustra la diffusione in avanti, è la situazione in cui la luce dei fari di un’auto o quella del Sole attraversa il parabrezza sporco di un'automobile. Per effetto della diffusione in avanti originata delle particelle presenti sul parabrezza, l'abbagliamento causato dalla luce diffusa può diventare molto forte. Poiché la diffusione di Mie, a differenza della diffusione di Rayleigh non fa una selezione fra la luce di diversa lunghezza d’onda, la luce diffusa dagli aerosol contiene tutte le componenti e appare agli occhi degli esseri umani di un colore biancastro.
Ora sappiamo che il cielo è di un blu intenso quando prevale la diffusione di Rayleigh, ovvero nei casi in cui l'aria è secca e limpida. Ciò si verifica più di frequente in montagna e nei mesi autunnali e invernali in condizioni di alta pressione. Quando il Sole splende da un cielo blu intenso, si parla anche di atmosfera di Rayleigh.
Se l'aria è umida o contiene molti aerosol, invece, la colorazione blu si affievolisce sempre di più e, dominando la forte diffusione in avanti (diffusione di Mie), il cielo appare di un colore biancastro.