Effetto Tyndall: come un fisico irlandese spiegò perché il cielo è blu nel 1869

Per millenni l'umanità si era posta una domanda apparentemente innocua, mai veramente risolta: perché il cielo è blu? Aristotele aveva parlato di una mescolanza di luce e oscurità. Leonardo da Vinci aveva intuito qualcosa nei suoi taccuini sul colore dell'aria. Nessuno aveva una spiegazione fisica.

Il primo che la dette, con una serie di esperimenti spettacolari, fu un fisico irlandese di umili origini diventato professore di filosofia naturale alla Royal Institution di Londra. Si chiamava John Tyndall, era nato nel 1820 a Leighlinbridge (contea di Carlow). Nel 1869, in un laboratorio nel cuore di Londra, dimostrò che il cielo è blu per la stessa ragione per cui un raggio di luce attraversa il latte: la diffusione della luce da parte di piccolissime particelle in sospensione. Il fenomeno porta il suo nome: effetto Tyndall.

Il cielo in miniatura della Royal Institution

L'esperimento più celebre di Tyndall era costruito con strumenti elementari: un lungo tubo di vetro orizzontale, una sorgente di luce bianca a un'estremità e l'oculare all'altra. Tyndall immetteva nel tubo aerosol di vario tipo: vapori di idrocarburi, polveri, fumo molto fine. Mentre il vapore si diffondeva, il raggio luminoso bianco diventava visibile di lato di colore azzurro acceso. Guardando il tubo in linea con il raggio, la luce arrivava all'oculare con una tinta rossastra. Era il cielo in miniatura: blu sopra di noi, rosso quando il Sole è basso all'orizzonte.

Il «Blue Sky Apparatus» di Tyndall è conservato ancora oggi negli archivi della Royal Institution. Tyndall ne dedusse che le particelle in sospensione, della giusta dimensione, diffondono molto più efficacemente le lunghezze d'onda corte della luce (azzurro e violetto) rispetto a quelle lunghe (giallo e rosso). Il risultato di lato è un'apparenza blu; lungo l'asse principale resta solo il rosso che è passato indisturbato.

Rayleigh, lo step successivo

L'idea di Tyndall fu raffinata in chiave teorica dal fisico inglese John William Strutt, terzo barone Rayleigh, nel 1871. Rayleigh dimostrò matematicamente che la diffusione di una particella molto più piccola della lunghezza d'onda della luce incidente segue una legge precisa: l'intensità diffusa è proporzionale a 1/λ⁴, dove λ è la lunghezza d'onda. Significa che la luce blu (λ ≈ 470 nm) viene diffusa circa 5,5 volte più intensamente della luce rossa (λ ≈ 700 nm). È la diffusione di Rayleigh, oggi insegnata in ogni manuale di fisica.

Da qui un'importante distinzione tecnica: l'effetto Tyndall in senso stretto si riferisce alla diffusione da particelle colloidali (1-1.000 nanometri di diametro, comparabili alla lunghezza d'onda della luce), come le goccioline di grasso nel latte o le particelle di pigmento in una sospensione. La diffusione di Rayleigh riguarda invece la diffusione da molecole o particelle molto più piccole della lunghezza d'onda, come le molecole di azoto e ossigeno dell'atmosfera. Sono due fenomeni distinti, ma con la stessa firma cromatica: tinta blu di lato, rosso in linea. Il cielo, propriamente, è blu per Rayleigh, non per Tyndall — ma fu Tyndall a intuirne il meccanismo prima.

Dove vediamo l'effetto ogni giorno

Una volta nominato, l'effetto si comincia a riconoscere ovunque. Tre esempi tipici:

• Latte e maionese: la luce di un faretto attraverso un bicchiere di latte mostra di lato una nebbia bluastra e davanti un disco bianco-giallastro. Le goccioline di grasso sono i centri di scattering.
• Occhi azzurri: contrariamente a quanto credono in molti, l'iride umana non contiene pigmento blu. Gli occhi blu hanno melanina ridotta nello stroma anteriore dell'iride. L'azzurro che vediamo è puro Tyndall scattering sulle fibre di collagene. Lo stesso meccanismo dà il colore alle piume di certi pappagalli e al pelo di qualche mammifero.
• Fascio di un proiettore in un cinema fumoso: la luce diventa visibile come una colonna lattiginosa per la diffusione da parte delle micro-particelle nell'aria.

Tyndall, scienziato a 360 gradi

L'effetto del cielo blu è solo uno dei contributi di Tyndall. Negli stessi anni Sessanta dell'Ottocento, lavorando con uno strumento di sua invenzione (la pila termoelettrica), dimostrò che l'anidride carbonica e il vapore acqueo assorbono la radiazione infrarossa molto più dell'azoto e dell'ossigeno. Fu la prima dimostrazione fisica dell'effetto serra, basata su esperimenti pubblicati su Philosophical Transactions of the Royal Society nel 1861. Tre anni prima, e in modo del tutto indipendente, l'americana Eunice Foote aveva ottenuto risultati analoghi su scala più piccola (su questo curiosandosimpara.it ha già un articolo dedicato).

Tyndall pubblicò anche lavori pionieristici sull'azione battericida della luce solare, sul fenomeno della guida della luce in un getto d'acqua (antesignano della fibra ottica), sulla disinfezione del latte con il calore — una procedura oggi nota come tindalizzazione. Morì nel 1893 a Hindhead, in Surrey, in un incidente domestico — sua moglie gli somministrò per errore una dose letale di idrato di cloralio invece del solfato di magnesio.

Restano i suoi tubi di vetro, conservati a Londra. E ogni volta che alzate gli occhi al cielo in una bella giornata, l'azzurro che vedete è l'eco di un esperimento fatto centocinquantacinque anni fa da un irlandese che voleva capire perché.