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Titolo: Perché il cielo è azzurro...

Mi sono messo a cercare in rete, più che altro per curiosità, perché il
cielo è azzurro di giorno e rosso al tramonto. Mi ricordavo vagamente una
spiegazione piuttosto articolata legata all'assorbimento ed alla riemissione
di alcune frequenze da parte di alcuni atomi, specialmente di ossigeno. Non
ho trovato nulla del genere. Tutte le spiegazioni che ho trovato possono
essere riassunte in tre classi, tutte e tre ragionevoli, verosimi, eppure,
non so perché, non mi sembrano del tutto corrette, anche perché fra loro non
sono del tutto coerenti.
1. l'alta atmosfera è formata da particelle piccole, le frequenze maggiori,
verso il rosso, le saltano, quelle minori, verso il blu, rimbalzano e
vengono diffuse. Da qui l'azzurro. La sera la luce compie un percorso
maggiore, per cui la diffusione del blu impoverisce la luce di questa
frequenza e ciò che arriva è il rosso.
2. come la 1, ma afferma che la bassa atmosfera è formata da particelle più
grosse (!) che quindi diffondono maggiormente il rosso quando il sole è
basso sull'orizzonte.
3. le molecole dell'aria assorbono tutti i colori tranne il blu che passa,
per cui il cielo è azzurro.
La 3 mi sembra del tutto scorretta e fra l'altro non spiegherebbe il rosso
la sera. La 2 non mi convince per quello che riguarda le dimensioni delle
particelle. La 1 sembra verosimile ma sembra più legata a un discorso di
diffusione da parte di macroparticelle che di assorbimento e riemissione da
livelli diversi degli elettroni negli atomi. Insomma, mi sembra che nessuna
delle tre sia quella giusta. Qualcuno si ricorda come stanno le cose
ESATTAMENTE. Mi interessa l'interazione fra fotoni e molecole, perché mi
sembra che sia quella la spiegazione più corretta.
Purtroppo è da tanto che non apro un libro di fisica.... Sigh
DdJ

 sembra che sia quella la spiegazione piu' corretta.
Esattamente e' una parola grossa :) Dico quel poco che so.
Cominciamo dal caso in cui l'aria sia pura (senza polveri). Le molecole
diffondono la radiazione solare (non l'assorbono!) in tutte le
direzioni. Ma l'intensita' della diffusione non e' la stessa a tutte le
lunghezze d'onda: va come l'inverso della quarta potenza della l. d'onda
(formula di Rayleigh). Percio' la luce blu viene diffusa molto di piu'
di quella rossa.
Questa e' la ragione essenziale perche' il cielo e' blu.
Se invece guardi direttamente il sole, ti arriva luce cui e' stata
sottratta prevalentemente la componente blu, e per questo motivo il sole
tende al giallo. Quando e' basso sull'orizzonte, dato che la luce
diretta ha attraversato uno strato di aria molto piu' spesso, l'effetto
di sottrazione e' ancora piu' marcato, e il sole si vede rosso.
Se l'aria e' molto carica di polveri entra in gioco un meccanismo
diverso: le particelle di polvere, essendo di dimensioni confrontabili
con la lunghezza d'onda, diffondono in modo non selettivo tutte le l.
d'onda, per cui il cielo assume un colore biancastro. Questo pero' non
e' vero per l. d'onda piu' grandi (rosso) e per angoli di diffusione
piccoli (v. dopo).
Nelle condizioni intermedie l'effetto delle polveri non e' importante se
guardi in alto e se il sole e' alto in cielo, ma diventa importante
all'orizzonte e specialmente al tramonto. Allora in vicinanza del sole
si ha una forte diffusione delle l. d'onda maggiori, e per questo il
cielo appare rosso.
Non e' tutto giusto: ho semplificato qualcosa e forse altre cose le ho
dette in modo impreciso senza volerlo, perche' in realta' il fenomeno e'
complicato...
Un'ultima notazione storica: la questione e' stata studiata da molti
fisici, Einstein incluso. Il colore del cielo era importante intorno a
un secolo fa perche' dall'intensita' della colorazione, attraverso la
formula di Rayleigh, era possibile stimare il numero di Avogadro (in
sostanza, il numero di molecole per unita' di volume nell'atmosfera).
Dato che allora si discuteva ancora se gli atomi esistessero davvero,
trovare metodi per calcolarne il numero era fondamentale.
Arrivato in fondo, mi viene il dubbio che tu volessi una giustificazione
"microscopica" della legge di Rayleigh. Si puo' dare, ma occorre la m.
quantistica. E' questo che cerchi?
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Elio Fabri
Dip. di Fisica "E. Fermi"
Universita' di Pisa
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 quantistica. E' questo che cerchi?
In effetti mi ricordo da vecchi studi di meccanica quantistica, che esiste
anche un assorbimento e una riemissione a fronte della diffusione, ovvero
non è necessariamente un urto elastico. Visto a livello microscopico, la
diffusione è un urto fra un fotone e un elettrone di un atomo. La sezione
d'urto non dovrebbe includere solo l'urto elastico, ma anche tutte le forme
di assorbimento e riemissione secondo le probabilità definite dalla funzione
d'onda del sistema. Sono ricordi che si perdono nell'antichità, per cui mi
scuso se ho detto delle inesattezze. Non ho modo in questi giorni di
verificare i miei ricordi sui libri di M.Q.
Dario