Il cielo è lo spazio siderale percepibile della Terra o, per estensione, da un qualsiasi altro corpo celeste, visto dalla superficie. In presenza di una atmosfera si presenta con colori diversi a causa della rifrazione e diffusione della luce nell'atmosfera.
Nel caso specifico del cielo terrestre, si presenta di colore variabile a causa dell'atmosfera terrestre e delle differenti condizioni di luce dipendenti da posizione geografica, quota, ora del giorno e periodo dell'anno.
Generalmente di giorno il cielo appare di colore azzurro perché le molecole d'aria diffondono lunghezze d'onda della luce solare più corte rispetto a quelle più lunghe, di cui fanno parte le sfumature rosse o gialle all'alba e al tramonto.Si veda effetto Tyndall. In caso di fenomeni meteorologici in corso, come il semplice maltempo, o fenomeni particolari che ne compromettono la limpidezza, per esempio caligine prodotta da incendi boschivi, esso assume una colorazione grigiastra, più o meno scura. Se il cielo ha condizioni pressoché perfette, in direzione del Sole è possibile vedere il celeste puro, il celeste convenzionale, il colore del cielo ideale. Quando non vi siano nuvole, sia di giorno sia di notte è possibile vedere la Luna quando è sopra l'orizzonte e, di notte, le stelle. Di notte infatti il cielo senza luce solare appare nero ed è quindi possibile distinguere la luce delle stelle che di giorno non sono visibili in quanto la loro minor intensità luminosa viene "coperta" dalla luce solare: in questo caso si parla di cielo stellato.
Il colore azzurro del cielo è più scuro in alta montagna, a causa della minore densità dell'atmosfera. Sulla Luna, e su tutti i corpi celesti dove l'atmosfera manca del tutto, il "cielo" è perennemente nero.
Etimologia Il termine "cielo" deriva dal latino coelum o caelum, a seconda delle forme, e queste sembrano correlate rispettivamente al greco κοῖλος (koilos) con il significato di «cavo», «incavato», e si rifà a una radice ku- con il senso di «essere convesso», paragonabile al modo di dire italiano «volta celeste»; oppure al verbo caedo ossia «tagliare» perché gli astrologi dividevano il cielo in regioni.Dizionario etimologico, RusconiLibri, alla voce "cielo".
I nove cieli
Da sempre associato alla trascendenza e alla spiritualità, nell'antichità e per tutto il Medioevo si riteneva che il cielo fosse fatto di cristallo, cioè di un elemento trasparente e incorruttibile, che Platone e Aristotele chiamavano «etere».Platone, Fedone, LVIII; Aristotele, De Caelo, libro I, capp. 1-12. Osservando lo spostamento dei pianeti, si pensava inoltre che il cielo fosse composto da più strati, cioè che i vari pianeti fossero collocati su delle rispettive sfere in movimento, simili a orbite, ognuno incastonato come una gemma in una di esse. Queste sfere, concentriche tra loro, e al cui centro si trovava la Terra, venivano appunto chiamate cieli, e ciascuna prendeva il nome dal pianeta che trasportava: vi erano quindi, dall'interno verso l'esterno, il cielo della Luna, il cielo di Mercurio, quello di Venere, del Sole, di Marte, di Giove, di Saturno: allora i pianeti conosciuti erano sette; anche la Luna e il Sole erano considerati pianeti, mentre la Terra non lo era.
Vi era poi, all'esterno di tutti, un ottavo cielo, detto delle stelle fisse, nel quale erano fissate le stelle più lontane; i teologi medievali aggiunsero inoltre un nono cielo, detto Primum mobile, e infine l'Empireo, sede di Dio. Si riteneva anche che ciascun cielo venisse mantenuto in movimento dalle gerarchie degli angeli a ciò deputati, chiamati anche intelligenze motrici:Dante, Convivio, II, cap. IV, 1-9. poteva esservi un angelo per ogni cielo, o anche uno per ogni singolo movimento del pianeta, poiché secondo il modello di Tolomeo il moto di ogni cielo era dato dalla somma di più movimenti semplici.
La rivoluzione astronomica operata da Niccolò Copernico e Newton ha sostituito la visione dei cieli o delle sfere orbitanti con la traiettoria delle orbite percorse dai rispettivi pianeti. La perdita della concezione animistica dei cieli, sebbene sostenuta ancora da Keplero, Paracelso, Bruno, ha indotto a spiegare il movimento degli astri sulla base del cosiddetto principio di inerzia, secondo il quale essi avrebbero la capacità di mantenersi in perpetuo movimento da soli senza l'intervento di intelligenze angeliche. Di nuovo Hegel, polemizzando contro Newton, sosteneva che i pianeti «si muovono come Dèi per l'aria leggera», che il sistema solare è un «essere animato», e che invece il meccanicismo si basa soltanto sulla «morta materia», ovvero sulla «morte che chiamano forza di inerzia».
Oggi è rimasta una traccia dell'antica cosmologia medievale nell'espressione «essere (o salire) al settimo cielo», che significa «raggiungere il massimo della felicità». La separazione tra scienza e religione, tra dimore fisiche e dimore spirituali, ha indotto comunque l'esegesi moderna a guardare all'altezza del cielo come «profondità» dell'anima, riprendendo l'etimologia del latino altus che significa sia «alto» sia «profondo». In tal senso, non viene negata la struttura metafisica dell'universo, nella quale Dio è il centro e la fonte della vita che viene trasmessa e distribuita mediante i vari «Cieli».
Perché il cielo è azzurro?
Fattori e meccanismi di diffusione della luce La luce visibile di colore bianco che proviene dal Sole è formata dalla sovrapposizione di onde elettromagnetiche di lunghezza d'onda variabile e da noi percepita come violetta, fino alla radiazione che ci appare rossa, passando per il blu, il verde, giallo e arancione. La luce blu è diffusa in tutte le direzioni per via della sua lunghezza d'onda più corta (più essa è corta e più la luce viene dispersa), ed è quindi rifratta dalle più piccole particelle degli strati più alti dell'atmosfera, al contrario degli altri colori. In qualunque direzione si osservi, una frazione di questa luce giunge ai nostri occhi. Infatti il cielo ci appare blu. Il fenomeno della diffusione che colora il cielo e le nuvole è stato studiato da John William Strutt Rayleigh e prende il nome di scattering di Rayleigh. In realtà, poiché il Sole emana radiazione lungo tutto lo spettro elettromagnetico, è la luce viola quella che viene dispersa di più, avendo lunghezza d'onda inferiore, dunque il cielo dovrebbe apparire viola, ma l'occhio umano non dispone della sensibilità necessaria a percepirla; inoltre, gran parte della luce viola viene assorbita dall'atmosfera.
Anche le nubi sono sottoposte a un fenomeno affine, quello della riflettanza: poiché composte da particelle d'acqua o di ghiaccio, riflettono la luce solare che è bianca (il bianco è l'insieme di tutti i colori), e così le nubi più alte, come i cirri, composte principalmente da ghiaccio (elevatissima riflettanza) sono pressoché bianche, mentre le nubi a estensione verticale (cumulonembi) o più basse possono apparire scure in quanto composte da gocciole d'acqua (minore riflettanza) che si addensano prima del maltempo, aumentandone la densità e riducendone la riflettanza, oppure perché, se troppo dense, la luce non riesce ad attraversarle fino alla base, che apparirà grigia. I colori del cielo, su un pianeta, dipendono dalla composizione atmosferica, dalla sua densità e dalla sua rarefazione. Il cielo non esibisce le stesse gradazioni.
Accanto allo scattering di Rayleigh, che è il principale meccanismo di diffusione della luce che colora il cielo del tipico blu-cobalto e azzurro da parte delle sole molecole d'aria, è fondamentale anche lo scattering di Mie, che si manifesta in presenza di particolato con dimensioni comparabili a quelle della lunghezza d'onda, e che schiarisce il cielo. Semplificando, si può dire che le gradazioni del cielo dipendono dal rapporto tra i due meccanismi.
Molteplici fattori sulla Terra ne influenzano le tonalità, giocando con i due meccanismi: la nuvolosità, la quantità di umidità atmosferica, di pulviscolo (aerosol), l'altezza del Sole (e dunque stagione, latitudine, nonché quantità di luce solare), l'ora del giorno, eventi naturali come eruzioni vulcaniche di grande intensità (le eruzioni del Tambora del 1815 e del Krakatoa del 1883 sono ritenute causa di suggestivi albe/tramonti che ispirarono artisti del calibro di William Turner e di Edvard Munch), incendi dolosi o colposi, e, ultimo ma non meno importante, l'inquinamento atmosferico. Infatti, nel caso di particelle più grandi della lunghezza d'onda, provenienti da inquinanti naturali o artificiali, si verifica assorbimento della luce, e il cielo subisce attenuazione (o al contrario massimizzazione) della luminosità e desturazione. Ad esempio, se il cielo esibisce fattori meteorologici particolarmente intensi, come giornate estive particolarmente torride con umidità eccessiva e vapore acqueo o addirittura a caligine provocata da incendi boschivi, il suo colore tende al grigiastro-biancastro a causa di un effetto cappa su una regione dovuto a forte assorbimento della luce e scattering di Mie. In caso di nevicate, il cielo si mostra tendente al bianco per la forte riflettanza da parte di nubi composte da ghiaccio e della neve stessa. Si pensi anche al caso in cui forti venti trasportano sabbia dal deserto, come nel caso di giornate con forte scirocco nel Mediterraneo, il che comporta gradazioni in cielo tra il giallo e l'arancione.
Gradazioni del cielo Il cielo, in condizioni normali, di giorno esibisce blu, azzurro e celeste; generalmente, il cielo appare blu verso lo zenit, azzurro tra zenit e orizzonte e celeste all'orizzonte, dove l'effetto scattering è maggiore, diffondendo la luce solare con alta incidenza con prevalenza di sfumature vicino al bianco. Senza riferimenti a tonalità specifiche, in linea generale, il cielo mediamente illuminato delle stagioni fredde tende al blu o all'azzurro, mentre quello molto illuminato tende al celeste; un cielo limpido col Sole molto alto tende al blu, mentre un cielo col Sole ad altezza intermedia, con la mescolanza tra il chiarore dell'orizzonte e la luce diretta del Sole mostra tonalità di celeste. Anche il cielo estivo, pure al mezzogiorno solare, pur con l'elevata altezza del Sole che massimizza la luce solare, è blu-azzurro, ma spesso è azzurro-celeste.
Prima dell'alba, quindi della levata del Sole, si verifica la cosiddetta ora blu, con luce crepuscolare in quanto la luce solare giunge indirettamente, mostrando gradazioni tra il blu scuro e il violetto. Dall'alba alle prime ore del mattino, quando il Sole è basso, la sua luce, prima di raggiungere i nostri occhi, deve attraversare un maggior spessore di atmosfera rispetto a quando è alto, quindi la luce blu viene diffusa maggiormente in aria e ci raggiunge solo la luce rossa/arancione tipica dell'alba (e del tramonto) provocando il fenomeno dell'ora dorata; ora blu e dorata accompagneranno anche il calar del Sole.
Il colore naturale del cielo, se il cielo è sereno, soleggiato e limpido, con sole alto e con poco materiale presente in atmosfera, è blu-cobalto o azzurro profondo, richiamando uno dei due celeste convenzionali; scientificamente, il meccanismo di diffusione della luce è semplicemente il Rayleigh, diffuso solo dalle molecole dell'aria con dimensioni inferiori alla lunghezza d'onda. È tipico di giornate soleggiate e limpide in seguito a giorni di pioggia o vento che hanno spazzato via o disperso il materiale atmosferico, rendendo il cielo molto terso, con scattering di Mie debole o assente.