Le nuvole possono apparire bianche e luminose, grigie, quasi nere oppure colorarsi di rosa, arancione e rosso vicino all’alba e al tramonto. Eppure sono formate principalmente da minuscole goccioline d’acqua e, alle quote più elevate o con temperature sufficientemente basse, anche da cristalli di ghiaccio.

Il loro colore non dipende quindi dal fatto che l’acqua sia bianca. Dipende soprattutto da come la luce del Sole attraversa la nube, viene diffusa dalle particelle che la compongono e riesce infine a raggiungere i nostri occhi.

Capire perché una nuvola è bianca permette anche di spiegare perché il cielo sereno è azzurro, perché la base di alcune nubi diventa scura e perché al tramonto persino una nube normalmente bianca può assumere colori molto intensi.

La luce del Sole non è composta da un solo colore

La luce solare ci appare generalmente bianca, ma contiene l’insieme dei colori visibili. Ogni colore corrisponde a una diversa lunghezza d’onda: il violetto e il blu hanno lunghezze d’onda più corte, mentre l’arancione e il rosso hanno lunghezze d’onda più lunghe.

Quando la luce attraversa l’atmosfera interagisce con molecole, aerosol, goccioline d’acqua e cristalli di ghiaccio. Il risultato di questa interazione dipende soprattutto dalle dimensioni delle particelle rispetto alla lunghezza d’onda della luce.

Perché il cielo è azzurro ma le nuvole sono bianche?

Nell’aria limpida, le molecole dei gas atmosferici sono molto più piccole delle lunghezze d’onda della luce visibile. In queste condizioni le lunghezze d’onda più corte, soprattutto quelle associate al blu, vengono diffuse più efficacemente rispetto a quelle più lunghe.

È il fenomeno comunemente associato alla diffusione di Rayleigh, responsabile dell’aspetto azzurro del cielo durante il giorno.

Le goccioline presenti nelle nuvole, invece, sono molto più grandi delle molecole dell’aria e hanno dimensioni confrontabili o superiori alle lunghezze d’onda della luce visibile. Per questo diffondono i diversi colori in maniera molto più uniforme.

Rosso, arancione, giallo, verde, blu e violetto vengono quindi diffusi insieme. Quando raggiungono contemporaneamente i nostri occhi, la nube appare bianca.

La diffusione della luce nelle goccioline

Le nuvole contengono un numero enorme di goccioline microscopiche. Ciascuna gocciolina devia la luce in diverse direzioni attraverso una combinazione di rifrazione, riflessione e diffusione.

Un singolo raggio solare può quindi interagire con molte goccioline prima di uscire dalla nube. A ogni interazione cambia direzione, mentre i diversi colori continuano a essere diffusi senza una separazione evidente come quella osservata in un arcobaleno.

In termini fisici, l’interazione tra la luce e particelle delle dimensioni tipiche delle goccioline viene descritta soprattutto attraverso la diffusione di Mie. Rispetto alla diffusione di Rayleigh, questa dipende molto meno dal colore della luce ed è perciò compatibile con l’aspetto bianco delle nuvole illuminate.

Perché alcune nuvole sono più bianche di altre?

La luminosità di una nube dipende da diversi fattori:

• dalla quantità di luce solare che riceve;
• dal numero e dalle dimensioni delle goccioline;
• dallo spessore della nube;
• dalla posizione del Sole;
• dall’angolo dal quale la osserviamo;
• dalla presenza di altre nubi o ombre nelle vicinanze.

Una nube sottile e direttamente illuminata può apparire molto brillante. Una nube più spessa può riflettere molta luce sulla parte superiore, mentre la sua base riceve meno illuminazione e appare più scura.

Le sommità dei cumuli illuminate dal Sole, per esempio, possono risultare di un bianco molto intenso, mentre la parte inferiore della stessa nube può essere grigia.

Perché la base delle nuvole diventa grigia o scura?

Una nuvola scura non è necessariamente composta da acqua sporca, né il colore grigio rappresenta da solo una prova certa che stia per piovere.

Quando una nube è molto spessa, la luce solare deve attraversare una maggiore quantità di goccioline e cristalli. Una parte viene diffusa lateralmente o verso l’alto e una quantità minore riesce a raggiungere la base.

Osservata dal basso, la nube appare quindi grigia perché riceviamo meno luce proveniente dalla sua superficie inferiore. Anche le ombre prodotte da altre parti della nube contribuiscono a creare zone più scure.

Nelle nubi a forte sviluppo verticale la differenza può essere particolarmente evidente: la sommità illuminata appare bianca e brillante, mentre la base può diventare molto scura.

Una nube scura significa sempre pioggia?

Non sempre. Una base scura può indicare una nube abbastanza spessa da bloccare una parte consistente della luce, una caratteristica spesso presente nelle nubi capaci di produrre precipitazioni.

Tuttavia, il solo colore non permette di stabilire con certezza se pioverà. La nube potrebbe trovarsi in ombra, essere osservata controluce oppure avere una base scura pur senza produrre precipitazioni al suolo.

Per valutare la possibilità di pioggia bisogna considerare anche:

• il tipo di nube;
• il suo sviluppo verticale;
• la sua evoluzione nel tempo;
• l’umidità presente nei diversi strati atmosferici;
• la dinamica delle correnti;
• le osservazioni radar e satellitari;
• le previsioni meteorologiche disponibili.

Perché le nuvole diventano rosse o arancioni?

Vicino all’alba e al tramonto la luce solare attraversa un tratto più lungo di atmosfera prima di raggiungere l’osservatore e le nuvole.

Durante questo percorso una parte consistente delle lunghezze d’onda più corte viene diffusa lontano dalla direzione originaria. La luce che continua il suo viaggio contiene quindi una proporzione maggiore di giallo, arancione e rosso.

Le nuvole illuminate da questa luce assumono gli stessi colori. Per questo possono apparire rosa, dorate, arancioni o rosse, anche se durante il giorno erano bianche.

Le nubi alte possono continuare a essere illuminate dal Sole anche quando, al livello del suolo, il disco solare è già sceso sotto l’orizzonte. Questa differenza di quota contribuisce alla spettacolarità di molti tramonti.

Perché alcune nuvole hanno bordi molto luminosi?

Quando il Sole si trova dietro una nube, la parte centrale può apparire scura perché blocca la luce diretta. I bordi più sottili, invece, permettono a una maggiore quantità di luce di attraversarli e diffondersi verso l’osservatore.

Si crea così il caratteristico bordo bianco e brillante che talvolta circonda cumuli e cumulonembi. La luminosità può essere particolarmente intensa quando la nube è vicina alla direzione del Sole.

È importante non fissare direttamente il Sole, anche quando è parzialmente coperto da una nube: la radiazione può comunque essere abbastanza intensa da danneggiare gli occhi.

Le nuvole di ghiaccio sono bianche per lo stesso motivo?

Le nubi più alte, come cirri e cirrostrati, sono formate prevalentemente da cristalli di ghiaccio. Anche questi cristalli diffondono e riflettono la luce solare, facendo apparire la nube generalmente bianca.

La forma non sferica e l’orientamento dei cristalli possono però produrre anche fenomeni ottici particolari, come aloni, colonne luminose e pareli. In questi casi la luce non viene soltanto diffusa, ma può essere deviata secondo geometrie precise all’interno dei cristalli.

Che cosa vedono i satelliti?

Nelle immagini satellitari nel visibile, le nubi più riflettenti appaiono generalmente più chiare. Nubi spesse e ricche di piccole goccioline possono restituire molta luce solare e risultare di un bianco molto brillante.

Le immagini satellitari all’infrarosso funzionano invece in modo diverso: rappresentano soprattutto la radiazione termica emessa dalle superfici e dalle sommità nuvolose. Nelle rappresentazioni più comuni, le nubi molto alte e fredde possono apparire più chiare rispetto a quelle basse e più calde.

Il bianco osservato in un’immagine satellitare all’infrarosso non deve quindi essere interpretato esattamente come il bianco che vediamo guardando una nube durante il giorno.

Le nuvole sono davvero leggere?

Le singole goccioline sono estremamente piccole e possono rimanere sospese grazie ai moti dell’aria e alla loro ridotta velocità di caduta. Una nube nel suo insieme, però, può contenere una quantità considerevole d’acqua distribuita in un volume molto grande.

Non vediamo una massa compatta e continua, ma miliardi di minuscole goccioline separate da aria. Proprio questa struttura permette alla luce di essere diffusa ripetutamente e rende la nube visibile.

Osservare le nuvole dal territorio di Gesualdo

Dal territorio di Gesualdo è possibile osservare frequentemente forti differenze di luminosità all’interno della stessa copertura nuvolosa.

I cumuli illuminati lateralmente possono presentare sommità bianche e basi grigie; le nubi più sottili possono apparire quasi trasparenti; i corpi nuvolosi più spessi possono invece oscurare sensibilmente il cielo.

Queste differenze non dipendono da un cambiamento del colore dell’acqua, ma dalla quantità e dalla direzione della luce che riesce a emergere dalla nube e raggiungere l’osservatore.

L’osservazione visiva può offrire informazioni interessanti sull’evoluzione del cielo, ma non sostituisce radar, satelliti, misure strumentali e previsioni meteorologiche.

In sintesi

• la luce solare contiene tutti i colori visibili;
• le molecole dell’aria diffondono più efficacemente la luce blu, facendo apparire azzurro il cielo;
• le goccioline delle nuvole sono molto più grandi e diffondono insieme i diversi colori;
• la combinazione dei colori diffusi fa apparire bianche le nuvole illuminate;
• una nube spessa appare grigia o scura quando meno luce riesce a raggiungerne la base;
• all’alba e al tramonto le nubi riflettono soprattutto la luce gialla, arancione e rossa;
• il colore, da solo, non permette di stabilire con certezza se arriverà la pioggia.

Le nuvole non hanno quindi un colore fisso. Il loro aspetto nasce dall’incontro tra luce solare, acqua, ghiaccio, atmosfera e posizione dell’osservatore: un fenomeno quotidiano che rende visibili alcuni dei principi fondamentali dell’ottica atmosferica.

Fonti

• NASA Earth Observatory – Crepuscular Rays and Light Scattering
• NASA Global Precipitation Measurement – What are clouds made of?
• Met Office – Facts about clouds
• Met Office – Why the sky is blue and sunsets are red
• NOAA National Weather Service – Cloud development and light scattering
• NOAA National Weather Service – Satellite imagery