Com’è noto, la luce visibile di color bianco proveniente dal Sole è composta dalla sovrapposizione di onde elettromagnetiche di diverse lunghezza d’onda che variano dai 380 nm [1 nanometro (nm) = 1 milionesimo di millimetro] della radiazione che percepiamo come violetta, fino ai 720 nm della radiazione che ci appare rossa, passando per il blu, verde, giallo, arancio.
Una volta raggiunta la Terra, un raggio solare interagisce con l’atmosfera. Quest’ultima è composta per il 78% da azoto e per il 21 % da ossigeno. Sono anche presenti argon, acqua (in forma di vapore, goccioline e cristalli di ghiaccio) e particelle solide (polveri, ceneri dai vulcani e sale dal mare).
Gli effetti dell’interazione tra luce ed atmosfera dipendono dalla lunghezza d’onda della radiazione e dalle dimensioni degli oggetti su cui questa incide.
Le particelle di polvere e le goccioline d’acqua sono molto più grandi della lunghezza d’onda della luce visibile: in questo caso la luce viene riflessa in tutte le direzioni allo stesso modo, indipendentemente dalla propria lunghezza d’onda.
Le molecole di gas hanno dimensioni inferiori e la luce si comporta diversamente a seconda della sua lunghezza d’onda. La luce rossa ha una lunghezza d’onda maggiore e tende a “scavalcare” le particelle più piccole senza “vederle”; questa luce, dunque, interagisce molto debolmente con l’atmosfera e prosegue la sua propagazione rettilinea lungo la direzione iniziale. Al contrario, la luce blu ha una lunghezza d’onda inferiore e si “accorge” della presenza delle molecole da cui è infatti riflessa in tutte le direzioni (fu Einstein a dimostrare nel 1911, contrariamente a quanto si credeva in principio, che erano proprio le molecole, e non le polveri in sospensione, la causa della diffusione).

Questa diffusione differenziale dipendente dalla lunghezza d’onda è chiamata, in inglese, Rayleigh scattering (da Lord John Rayleigh, il fisico inglese che per primo la descrisse nella seconda metà dell’Ottocento).
Più precisamente, la quantità di luce diffusa è inversamente proporzionale alla quarta potenza della lunghezza d’onda. Ne consegue che la luce blu è diffusa più di quella rossa di un fattore (700/400)⁴ ~ 10.

Proprio nel Rayleigh scattering risiede la risposta alle domande che ci siamo posti all’inizio.
Nell’attraversare l’atmosfera, la maggior parte della radiazione di maggior lunghezza d’onda prosegue la sua traiettoria rettilinea. La luce rossa, arancione e gialla viene influenzata solo in minima parte dalla presenza dell’aria. Al contrario, la luce blu è diffusa in tutte le direzioni. In qualunque direzione si osservi, parte di questa luce giunge ai nostri occhi. Il cielo, pertanto, appare blu.
Vicino all’orizzonte il cielo è di un azzurro più chiaro perché la luce, per raggiungerci da questa direzione, deve attraversare più aria e viene diffusa maggiormente; pertanto siamo raggiunti da una minor quantità di luce blu.
Le nuvole e la nebbia ci appaiono bianche perché consistono di particelle più grandi delle lunghezze d’onda della radiazione visibile, e diffondono tutti i colori allo stesso modo. Tuttavia, in particolari condizioni, è possibile che in aria si trovino in sospensione particelle più piccole.

Alcune montagne sono famose per le loro foschie blu (ad es. a Les Vosges in Francia). In questo caso gli aerosol di terpene rilasciati dalla vegetazione reagiscono con l’ozono dell’atmosfera formando particelle di circa 200 nm adatte a diffondere la luce blu.
A volte, l’incendio di una foresta o un’eruzione vulcanica possono riempire l’atmosfera con particelle delle dimensioni di 500-800 nm. Queste particelle sono pertanto in grado di diffondere la luce rossa, provocando un effetto opposto a quello usuale. In questo caso è la luce rossa ad essere diffusa via dal raggio incidente e questo provoca, in alcuni casi, una colorazione blu della Luna. Questo è un effetto che accade assai di rado e nella lingua inglese è preso ad esempio di evento raro (once in a blue moon, una volta ogni luna blu; l’analogo del nostro “una volta ogni morte di papa”).

Se fossimo sulla Luna, a causa dell’assenza di atmosfera (e della diffusione ad essa connessa), il cielo apparirebbe nero e il Sole sarebbe bianco. Sulla Terra, invece, in conseguenza del Rayleigh scattering, parte della componente blu è rimossa dai raggi diretti del Sole che pertanto ci appare giallo. Questo effetto è amplificato al tramonto, quando il Sole è vicino all’orizzonte. I raggi solari diretti attraversano uno strato maggiore di atmosfera e vengono maggiormente impoveriti della componente blu. Il Sole, dunque, diventa sempre più rosso man mano che il tramonto procede.
Le immagini inviateci dalle sonde Viking nel 1977 e Pathfinder nel 1997 hanno mostrato che il cielo visto da Marte appare rosso. Questo è dovuto alla polvere ricca di ossido di ferro (che appare rosso), sollevata durante le bufere che si verificano di tanto in tanto sul pianeta rosso (come viene appunto soprannominato Marte). Il colore del cielo marziano dipende dunque dalle condizioni atmosferiche. Esso è blu in assenza di bufere recenti, ma risulta comunque più scuro di quello terrestre a causa della minore quantità di atmosfera.