Il colore di una nuvola dipende principalmente dal colore della luce che riceve. La fonte naturale di luce della Terra è il sole che fornisce luce “bianca”. La luce bianca combina tutti i colori nello “spettro visibile”, che è la gamma di colori che possiamo vedere.
Ogni colore nello spettro visibile rappresenta onde elettromagnetiche di lunghezze diverse. I colori cambiano con l’aumentare della lunghezza d’onda dal viola all’indaco al blu, verde, giallo, arancione, rosso e rosso intenso.
Quando la lunghezza di un’onda luminosa aumenta, la sua energia diminuisce. Ciò significa che le onde luminose che compongono viole, indaco e blu hanno livelli di energia più elevati rispetto al giallo, arancione e rosso.
Un modo per vedere i colori della luce solare è l’uso di un prisma. La velocità della luce diminuisce leggermente mentre si muove nel prisma, facendolo piegare leggermente. Questo è chiamato rifrazione. Il grado di rifrazione varia con il livello di energia ogni onda.
Le onde di luce a energia più bassa rifrangono di meno, mentre le onde di energia più alte mostrano la maggiore rifrazione. Il risultato finale è una dispersione di luce in un arcobaleno di colori.
Gli arcobaleni sono in parte il risultato della rifrazione della luce solare attraverso una goccia di pioggia, che agisce come un prisma.
Quindi, se la luce del sole è ‘bianca’, perché il cielo è blu?
Gli atomi e le molecole che compongono i gas nell’atmosfera sono molto più piccoli delle lunghezze d’onda della luce emessa dal sole.
Quando le onde luminose entrano nell’atmosfera, iniziano a disperdersi in tutte le direzioni per collisioni con atomi e molecole. Questo è chiamato Rayleigh scattering, dal nome di Lord Rayleigh.
Il colore del cielo è il risultato della dispersione di TUTTE le lunghezze d’onda. Tuttavia, questa dispersione non è in parti uguali ma fortemente ponderata verso le lunghezze d’onda più corte.
Quando la luce solare entra nell’atmosfera gran parte delle onde luminose viola si disperdono per prime ma molto alte nell’atmosfera e quindi non facilmente visibili. Le onde luminose di colore indaco si disperdono e possono essere viste da alte altitudini come aerei a reazione che volano a normali altitudini di crociera.
Successivamente, le onde di luce blu si disperdono ad una velocità circa quattro volte più forte delle onde di luce rossa. Il volume di scattering dalle onde luminose blu più corte (con ulteriore scattering di viola e indaco) domina lo scattering dalle restanti lunghezze d’onda del colore. Pertanto, percepiamo il colore blu del cielo.
Se il cielo è blu, perché le nuvole sono bianche?
A differenza dello scattering di Rayleigh, dove le onde luminose sono molto più piccole dei gas nell’atmosfera, le singole gocce d’acqua che compongono una nuvola sono di dimensioni simili alla lunghezza d’onda della luce solare. Quando le goccioline e le onde luminose sono di dimensioni simili, si verifica una dispersione diversa, chiamata dispersione ‘Mie’.
Mie scattering non differenzia i singoli colori di lunghezza d’onda e quindi disperde TUTTI i colori di lunghezza d’onda allo stesso modo. Il risultato è ugualmente sparso luce ‘bianca’ dal sole e quindi vediamo nuvole bianche.
Tuttavia, le nuvole non appaiono sempre bianche perché foschia e polvere nell’atmosfera possono farle apparire gialle, arancioni o rosse. E mentre le nuvole si addensano, la luce del sole che passa attraverso la nuvola diminuirà o sarà bloccata, dando alla nuvola un colore grigio. Se non c’è luce solare diretta che colpisce la nuvola, potrebbe riflettere il colore del cielo e apparire bluastro.
Rayleigh e Mie
Alcune delle nuvole più pittoresche si verificano vicino all’alba e al tramonto quando possono apparire in gialli brillanti, arance e rossi. I colori derivano da una combinazione di Rayleigh e Mie scattering.
Mentre la luce passa attraverso l’atmosfera, la maggior parte delle lunghezze d’onda blu più corte si disperdono lasciando continuare la maggior parte delle onde più lunghe. Pertanto, il colore predominante della luce solare cambia a queste lunghezze d’onda più lunghe.
Inoltre, quando la luce entra nell’atmosfera, si rifrange con la più grande curva nel suo percorso vicino alla superficie terrestre dove l’atmosfera è più densa. Ciò fa sì che il percorso della luce attraverso l’atmosfera si allunghi, consentendo ulteriormente una maggiore dispersione di Rayleigh.
Mentre la luce continua a muoversi attraverso l’atmosfera, le lunghezze d’onda gialle sono sparse lasciando lunghezze d’onda arancioni. Ulteriore dispersione di lunghezze d’onda arancione lascia rosso come il colore predominante della luce solare.
Pertanto, vicino all’alba e al tramonto, il colore di una nuvola è il colore della luce solare che riceve dopo la dispersione di Rayleigh. Vediamo che il colore della luce solare a causa di Mei scattering che disperde tutti i colori di lunghezza d’onda rimanenti ugualmente.
Il colore della percezione
A volte, sotto la luce diretta del sole, le nuvole appariranno grigie o grigio scuro su un cielo blu o su uno sfondo più grande di nuvole bianche. Di solito ci sono due ragioni per questo effetto.
- Le nuvole possono essere semi-trasparenti, il che consente di vedere il cielo blu di sfondo attraverso la nuvola. Dando così un aspetto più scuro.
- Un motivo più comune è il contrasto tra lo sfondo (cielo blu o nuvole aggiuntive) e la nuvola in primo piano travolge la nostra visione. In sostanza, i nostri occhi sono ingannati con la nostra percezione delle nuvole in primo piano che appaiono scure rispetto alla travolgente luminosità dello sfondo.
Quest’ultimo motivo è il motivo per cui le macchie solari sembrano scure. La luminosità del sole si basa sulla temperatura e la temperatura di una macchia solare è inferiore alla superficie circostante del sole.
Rispetto alla superficie del sole, le macchie solari appaiono piuttosto scure. Tuttavia, se le macchie solari fossero isolate dalla luminosità circostante, sarebbero ancora troppo luminose per guardare con l’occhio non protetto. Il contrasto di luminosità tra i due è ciò che provoca macchie solari appaiono scuri.