Vi siete mai chiesti perché il cielo abbia proprio quei colori? Il blu del giorno, il rosso e l’arancione del tramonto, le tinte rosate del crepuscolo e il buio della notte non sono semplici scenografie naturali: sono il risultato di un dialogo continuo tra la luce del Sole e l’atmosfera terrestre.
Il cielo non possiede un colore intrinseco. È l’atmosfera che, interagendo con la luce solare, lo dipinge continuamente con sfumature diverse. Queste variazioni ci dicono quali sono le condizioni fisiche dell’atmosfera.
È diffusa l’idea che il cielo appaia blu perché rifletterebbe il colore del mare. Se fosse vero, nelle regioni continentali interne il cielo dovrebbe assumere tonalità diverse, magari tendenti al giallo o al bruno per effetto del riflesso del suolo. In realtà è vero il contrario: il colore del mare non è la causa del blu del cielo, ma in parte una sua conseguenza.
La luce che proviene dal Sole è composta da tutte le lunghezze d’onda dello spettro visibile. Quando entra nell’atmosfera terrestre incontra molecole di gas, soprattutto azoto e ossigeno, che la diffondono in tutte le direzioni. Questo processo, noto come diffusione di Rayleigh, è molto più efficiente per le lunghezze d’onda corte rispetto a quelle lunghe. In altre parole, la luce blu viene diffusa molto più facilmente della luce rossa. Per questo motivo la componente blu della luce solare viene ridistribuita in tutto il cielo, facendolo apparire azzurro in una giornata limpida.
Un’osservazione attenta rivela che il cielo non è uniformemente blu. Anche in condizioni di cielo perfettamente sereno la volta celeste ha una struttura cromatica complessa. Il colore varia con la distanza angolare dal Sole, con l’altezza del Sole sull’orizzonte e con la quantità di aerosol in atmosfera.
In generale, la zona del cielo più vicina al Sole appare più chiara e tendente al biancastro, mentre le regioni più lontane hanno tonalità di blu più profonde e saturate. Questa distribuzione è legata alla geometria della diffusione della luce e alla lunghezza del percorso che i raggi solari compiono nell’atmosfera.
Una sequenza fotografica ottenuta monitorando per ventiquattro ore una porzione di cielo rivolta verso nord mostra chiaramente questa evoluzione cromatica: anche lontano dal Sole, il cielo subisce variazioni continue nel corso della giornata. L’altezza solare, la lunghezza del percorso ottico atmosferico e i processi di diffusione multipla della radiazione modificano progressivamente le tonalità della volta celeste. Il blu del cielo, dunque, non è una tinta uniforme ma una geografia di sfumature.
Quando il Sole si avvicina all’orizzonte la situazione cambia radicalmente. I raggi solari non attraversano più l’atmosfera lungo un percorso quasi verticale, ma devono percorrere uno tratto maggiore di atmosfera per arrivare ai nostri occhi.
Durante il tragitto, le lunghezze d’onda più corte, blu e violetto, vengono diffuse fuori dal fascio diretto molto più efficacemente delle lunghezze d’onda lunghe. La luce che raggiunge direttamente i nostri occhi diventa quindi progressivamente più ricca di componenti rosse e arancioni. È per questo che il Sole al tramonto appare rosso.
Dopo il tramonto, il cielo occidentale non si oscura uniformemente ma può organizzarsi in bande cromatiche sovrapposte: vicino all’orizzonte dominano rossi e arancioni, che sfumano nel giallo e poi nel blu del cielo serale. In alcune condizioni tra queste regioni compare una sottile fascia verdastra, nota come Green Sky Band.
Questa successione di colori può ricordare un arcobaleno disteso in orizzontale, ma l’origine fisica è diversa. Nel crepuscolo, i colori derivano dalla diffusione della luce solare in atmosfera su percorsi ottici molto lunghi, combinata con l’assorbimento dell’ozono nelle bande di Chappuis, come hanno mostrato studi recenti[1]. Il verde emerge come delicata zona di equilibrio tra le componenti rosse dell’orizzonte e il blu del cielo superiore.
Il verde del crepuscolo è spesso molto delicato e appare come una zona di transizione tra rosso e blu, più facilmente percepibile quando si osserva l’intero panorama crepuscolare. Nei primi minuti dopo il tramonto, il cielo occidentale può quindi assumere la struttura di un vero spettro atmosferico. Il tramonto non spegne semplicemente la luce del giorno: la stratifica.
La presenza di nubi può intensificare i colori del tramonto. Quando il Sole è appena sotto l’orizzonte, la sua luce ormai fortemente arrossata, dopo aver attraversato lunghi percorsi atmosferici, può illuminare la base delle nubi, che la diffondono verso l’osservatore amplificando le tonalità rosse e arancioni.
L’effetto dipende dall’altezza delle nubi: quelle basse si colorano intensamente perché sono ancora illuminate dai raggi radenti del Sole, mentre quelle più alte, come i cirri, possono restare illuminate anche quando il Sole è più basso sotto l’orizzonte, prolungando le colorazioni del crepuscolo. In queste condizioni il cielo occidentale può apparire particolarmente “infuocato”.
Mentre a ovest il cielo conserva gli ultimi colori del Sole appena tramontato, sul lato opposto accade qualcosa di altrettanto suggestivo. Guardando verso est si può osservare una larga fascia scura che lentamente si innalza dall’orizzonte. È l’ombra della Terra, la stessa ombra che, quando si estende nello spazio, può raggiungere la Luna durante una eclissi lunare, colorandola di rosso. Nel crepuscolo ne vediamo soltanto il primo tratto: la sua proiezione nella nostra atmosfera.
Sopra l’ombra della Terra compare spesso una fascia rosata nota come Cintura di Venere. Il suo colore è prodotto dalla retrodiffusione (backscattering) della luce solare negli strati dell’atmosfera ancora illuminati dal Sole. Poiché questa luce ha attraversato un lungo percorso atmosferico, è già fortemente arrossata: quando viene diffusa all’indietro verso l’osservatore produce la caratteristica banda rosata del crepuscolo. In un certo senso, se a ovest osserviamo il tramonto del Sole, a est assistiamo al tramonto della sua luce nell’atmosfera.
Via via che il Sole scende sotto l’orizzonte, il cielo entra progressivamente nella notte. Ma la notte non è semplicemente assenza di luce. Anche senza Luna il cielo possiede una debole luminosità naturale. Una parte della luce proviene dalle stelle e dalla Via Lattea, ma un contributo importante è dovuto a un fenomeno atmosferico noto come airglow, o luminescenza atmosferica.
Nell’alta atmosfera, a quote tra circa 80 e 300 chilometri, si producono emissioni di luce molto deboli per via di alcune reazioni chimiche, dovute principalmente ad atomi di ossigeno e molecole di idrossile. Questo bagliore naturale contribuisce alla luminosità del cielo notturno e possiede anche un proprio spettro caratteristico.
Dal punto di vista fisico il cielo notturno naturale può presentare tonalità verdognole, rossastre o bluastre. La nostra percezione dei colori è molto limitata in condizioni di buio: di notte l’occhio umano utilizza principalmente i bastoncelli della retina, sensibili alla luminosità ma poco capaci di distinguere i colori. Per questo motivo il cielo notturno ci appare generalmente grigio scuro o nero, anche se in realtà possiede una debole colorazione. Non è un nero assoluto ma un’oscurità dinamica, costituita da emissioni atmosferiche, luce stellare e polveri interplanetarie.
Oggi però questo delicato equilibrio naturale sta subendo profonde alterazioni. L’illuminazione artificiale delle città produce una diffusa luminosità, nota come inquinamento luminoso, che modifica profondamente l’aspetto della notte. La luce artificiale diffusa nell’atmosfera non cancella soltanto la visibilità delle stelle più deboli. Cambia anche il colore stesso del cielo, sostituendo alle sottili tonalità naturali un bagliore artificiale. In molte regioni del pianeta la Via Lattea è ormai invisibile a occhio nudo. Con essa scompaiono anche i colori più delicati del cielo naturale.
Proteggere il cielo notturno significa dunque preservare non solo la visibilità delle stelle, ma anche un patrimonio cromatico dell’atmosfera terrestre, perché il cielo, di giorno come di notte, non è soltanto uno sfondo sopra le nostre teste, ma una delle più straordinarie manifestazioni della fisica che il nostro pianeta ci offre quotidianamente.
Tutte le foto della rubrica sono di Marcella Giulia Pace. L’indirizzo a cui inviare immagini, segnalazioni e domande è [email protected]
Il cielo non possiede un colore intrinseco. È l’atmosfera che, interagendo con la luce solare, lo dipinge continuamente con sfumature diverse. Queste variazioni ci dicono quali sono le condizioni fisiche dell’atmosfera.
È diffusa l’idea che il cielo appaia blu perché rifletterebbe il colore del mare. Se fosse vero, nelle regioni continentali interne il cielo dovrebbe assumere tonalità diverse, magari tendenti al giallo o al bruno per effetto del riflesso del suolo. In realtà è vero il contrario: il colore del mare non è la causa del blu del cielo, ma in parte una sua conseguenza.
I colori del Sole al tramonto, dal giallo al rosso, sono dovuti alla diffusione selettiva della luce in atmosfera: prevalgono le lunghezze d’onda più lunghe, mentre quelle corte vengono disperse
La luce che proviene dal Sole è composta da tutte le lunghezze d’onda dello spettro visibile. Quando entra nell’atmosfera terrestre incontra molecole di gas, soprattutto azoto e ossigeno, che la diffondono in tutte le direzioni. Questo processo, noto come diffusione di Rayleigh, è molto più efficiente per le lunghezze d’onda corte rispetto a quelle lunghe. In altre parole, la luce blu viene diffusa molto più facilmente della luce rossa. Per questo motivo la componente blu della luce solare viene ridistribuita in tutto il cielo, facendolo apparire azzurro in una giornata limpida.
Un’osservazione attenta rivela che il cielo non è uniformemente blu. Anche in condizioni di cielo perfettamente sereno la volta celeste ha una struttura cromatica complessa. Il colore varia con la distanza angolare dal Sole, con l’altezza del Sole sull’orizzonte e con la quantità di aerosol in atmosfera.
In generale, la zona del cielo più vicina al Sole appare più chiara e tendente al biancastro, mentre le regioni più lontane hanno tonalità di blu più profonde e saturate. Questa distribuzione è legata alla geometria della diffusione della luce e alla lunghezza del percorso che i raggi solari compiono nell’atmosfera.
Al tramonto il cielo può mostrare una sequenza di colori dal rosso al blu, con una delicata banda verde intermedia. Questo "arcobaleno" orizzontale è prodotto dalla diffusione della luce solare e dall’assorbimento dell’ozono
Una sequenza fotografica ottenuta monitorando per ventiquattro ore una porzione di cielo rivolta verso nord mostra chiaramente questa evoluzione cromatica: anche lontano dal Sole, il cielo subisce variazioni continue nel corso della giornata. L’altezza solare, la lunghezza del percorso ottico atmosferico e i processi di diffusione multipla della radiazione modificano progressivamente le tonalità della volta celeste. Il blu del cielo, dunque, non è una tinta uniforme ma una geografia di sfumature.
Venere brilla nella fascia rosso-arancio vicino all’orizzonte, Mercurio emerge nel cielo già blu, mentre la sottile Luna crescente appare immersa in una sorprendente banda verdastra. La banda verde, molto delicata, è spesso più percepibile per contrasto che per visione diretta
Durante il tragitto, le lunghezze d’onda più corte, blu e violetto, vengono diffuse fuori dal fascio diretto molto più efficacemente delle lunghezze d’onda lunghe. La luce che raggiunge direttamente i nostri occhi diventa quindi progressivamente più ricca di componenti rosse e arancioni. È per questo che il Sole al tramonto appare rosso.
Dopo il tramonto, il cielo occidentale non si oscura uniformemente ma può organizzarsi in bande cromatiche sovrapposte: vicino all’orizzonte dominano rossi e arancioni, che sfumano nel giallo e poi nel blu del cielo serale. In alcune condizioni tra queste regioni compare una sottile fascia verdastra, nota come Green Sky Band.
Un tramonto "infuocato", per i colori e per la struttura delle nubi medio-alte (altocumuli/cirrocumuli), illuminate dalla luce del Sole sotto l’orizzonte, ormai dominata da rosso e arancione. Le diverse tonalità dipendono da altezza e densità delle nubi, che diffondono la luce in modo diverso
Questa successione di colori può ricordare un arcobaleno disteso in orizzontale, ma l’origine fisica è diversa. Nel crepuscolo, i colori derivano dalla diffusione della luce solare in atmosfera su percorsi ottici molto lunghi, combinata con l’assorbimento dell’ozono nelle bande di Chappuis, come hanno mostrato studi recenti[1]. Il verde emerge come delicata zona di equilibrio tra le componenti rosse dell’orizzonte e il blu del cielo superiore.
Il verde del crepuscolo è spesso molto delicato e appare come una zona di transizione tra rosso e blu, più facilmente percepibile quando si osserva l’intero panorama crepuscolare. Nei primi minuti dopo il tramonto, il cielo occidentale può quindi assumere la struttura di un vero spettro atmosferico. Il tramonto non spegne semplicemente la luce del giorno: la stratifica.
La presenza di nubi può intensificare i colori del tramonto. Quando il Sole è appena sotto l’orizzonte, la sua luce ormai fortemente arrossata, dopo aver attraversato lunghi percorsi atmosferici, può illuminare la base delle nubi, che la diffondono verso l’osservatore amplificando le tonalità rosse e arancioni.
L’ombra della Terra si innalza dall’orizzonte come una fascia blu. Al di sopra compare la Cintura di Venere, la tenue banda rosata prodotta dalla retro-diffusione della luce solare negli strati ancora illuminati dell’atmosfera
L’effetto dipende dall’altezza delle nubi: quelle basse si colorano intensamente perché sono ancora illuminate dai raggi radenti del Sole, mentre quelle più alte, come i cirri, possono restare illuminate anche quando il Sole è più basso sotto l’orizzonte, prolungando le colorazioni del crepuscolo. In queste condizioni il cielo occidentale può apparire particolarmente “infuocato”.
Mentre a ovest il cielo conserva gli ultimi colori del Sole appena tramontato, sul lato opposto accade qualcosa di altrettanto suggestivo. Guardando verso est si può osservare una larga fascia scura che lentamente si innalza dall’orizzonte. È l’ombra della Terra, la stessa ombra che, quando si estende nello spazio, può raggiungere la Luna durante una eclissi lunare, colorandola di rosso. Nel crepuscolo ne vediamo soltanto il primo tratto: la sua proiezione nella nostra atmosfera.
Sopra l’ombra della Terra compare spesso una fascia rosata nota come Cintura di Venere. Il suo colore è prodotto dalla retrodiffusione (backscattering) della luce solare negli strati dell’atmosfera ancora illuminati dal Sole. Poiché questa luce ha attraversato un lungo percorso atmosferico, è già fortemente arrossata: quando viene diffusa all’indietro verso l’osservatore produce la caratteristica banda rosata del crepuscolo. In un certo senso, se a ovest osserviamo il tramonto del Sole, a est assistiamo al tramonto della sua luce nell’atmosfera.
Via via che il Sole scende sotto l’orizzonte, il cielo entra progressivamente nella notte. Ma la notte non è semplicemente assenza di luce. Anche senza Luna il cielo possiede una debole luminosità naturale. Una parte della luce proviene dalle stelle e dalla Via Lattea, ma un contributo importante è dovuto a un fenomeno atmosferico noto come airglow, o luminescenza atmosferica.
Due ombre della Terra: la prima è la banda blu dell’atmosfera sotto la Cintura di Venere; la seconda è visibile sulla Luna, nella regione inferiore sinistra oscurata dall’eclissi
Nell’alta atmosfera, a quote tra circa 80 e 300 chilometri, si producono emissioni di luce molto deboli per via di alcune reazioni chimiche, dovute principalmente ad atomi di ossigeno e molecole di idrossile. Questo bagliore naturale contribuisce alla luminosità del cielo notturno e possiede anche un proprio spettro caratteristico.
Dal punto di vista fisico il cielo notturno naturale può presentare tonalità verdognole, rossastre o bluastre. La nostra percezione dei colori è molto limitata in condizioni di buio: di notte l’occhio umano utilizza principalmente i bastoncelli della retina, sensibili alla luminosità ma poco capaci di distinguere i colori. Per questo motivo il cielo notturno ci appare generalmente grigio scuro o nero, anche se in realtà possiede una debole colorazione. Non è un nero assoluto ma un’oscurità dinamica, costituita da emissioni atmosferiche, luce stellare e polveri interplanetarie.
La Via Lattea attraversa la scena come una tenue fascia di luce stellare diffusa. All’orizzonte si intravede il bagliore dell’inquinamento luminoso dei centri abitati vicini
Proteggere il cielo notturno significa dunque preservare non solo la visibilità delle stelle, ma anche un patrimonio cromatico dell’atmosfera terrestre, perché il cielo, di giorno come di notte, non è soltanto uno sfondo sopra le nostre teste, ma una delle più straordinarie manifestazioni della fisica che il nostro pianeta ci offre quotidianamente.
Tutte le foto della rubrica sono di Marcella Giulia Pace. L’indirizzo a cui inviare immagini, segnalazioni e domande è [email protected]
Note
1) Anna Lange, Alexei Rozanov, and Christian von Savigny, "On the twilight phenomenon of the green band," Appl. Opt. 62, 162-171 (2023)
MARCELLA GIULIA PACE è astrofotografa e insegnante di scuola primaria e gestisce un sito di divulgazione scientifica sui fenomeni ottici atmosferici (https://greenflash.photo ). Le sue immagini sono state scelte più volte dalla NASA come foto del giorno.
