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lunes 27, mayo 2024

¿Por qué el cielo es azul?

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Esta es seguramente una de las típicas preguntas que todos nos hemos planteado alguna vez y que en realidad tiene una respuesta no trivial en la ciencia. Existe una gran cantidad de sitios web que tratan esta cuestión, pero nosotros vamos a intentar explicarlo de la forma más detallada y didáctica posible.

Pero antes de pasar a explicar el fenómeno en sí que causa ese color azul en el cielo, pensemos por un momento: vemos que el cielo es azul, pero ¿realmente sabemos qué es el color en sí? Porque sin saber lo que es un color, difícilmente podríamos decir si es azul o cualquier otro. Así pues, empecemos por ahí.

A los rayos de luz provenientes del Sol los llamamos “luz blanca”. Cuando esta luz blanca llega a la Tierra, empieza a interactuar con la materia aquí presente y empiezan a ocurrir ciertos fenómenos físicos que van a determinar el color de las cosas.

Según la RAE, el color se define como “sensación producida por los rayos luminosos que impresionan los órganos visuales y que depende de la longitud de onda”. Visto así entendemos que el color depende de cómo los rayos de luz, de diferente longitud de onda, interactúan con nuestros ojos. Esta definición es un tanto antropocéntrica pues se centra en lo que percibimos, pero no en el origen del fenómeno. Este origen hay que buscarlo en la radiación que proviene del Sol. La radiación solar es la energía emitida por el Sol, que se propaga en todas las direcciones a través del espacio mediante ondas electromagnéticas. Esta energía proviene de las reacciones de fusión nuclear que ocurren en el Sol. Las ondas electromagnéticas provenientes del Sol son emitidas principalmente en la banda del ultravioleta, visible y el infrarrojo cercano, con longitudes de onda entre 0,2 y 3,0 micrómetros (ver el espectro electromagnético adjunto para ver donde se sitúa dicha radiación). Dentro de este intervalo tenemos, como hemos dicho, lo que se conoce como radiación en la región visible. La región visible (entre 0,4 y 0,7 micrómetros) corresponde a la radiación que puede percibir la sensibilidad del ojo humano e incluye los colores: violeta (0,42 micrómetros), azul (0,48 micrómetros), verde (0,52 micrómetros), amarillo (0,57 micrómetros), naranja (0,6 micrómetros) y rojo (0,7 micrómetros). La luz de color violeta es más energética que la luz de color rojo, porque tiene una longitud de onda más pequeña. La radiación con las longitudes de onda más corta que la correspondiente a la luz de color violeta es denominada radiación ultravioleta. Por encima de la longitud de onda del rojo tendríamos la radiación infrarroja. Todas estas ondas electromagnéticas de distintas longitudes de onda nos vienen mezcladas y cuando esto pasa no somos capaces de distinguir ningún color, sino que lo vemos todo blanco. Es por ello que a los rayos de luz provenientes del Sol los llamamos “luz blanca”. Cuando esta luz blanca llega a la Tierra, empieza a interactuar con la materia aquí presente y empiezan a ocurrir ciertos fenómenos físicos que van a determinar el color de las cosas.

Espectro electromagnético.
Figura 1. Espectro electromagnético

Para entender lo que ocurre en esta interacción de la luz con la materia primero debemos conocer la naturaleza de las ondas electromagnéticas. En principio, podemos decir sin temor a equivocarnos, que una onda electromagnética consiste en un campo eléctrico y uno magnético perpendiculares entre sí, que oscilan en forma sinusoidal y que se trasladan en el espacio a la velocidad de la luz (300000 km/s). Esta definición es un poco compleja de entender, pero gracias a la mecánica cuántica (quien lo diría…) podemos, quizás, visualizar mejor las ondas electromagnéticas. Y es que según nos dice la llamada “dualidad onda-partícula”, la materia y la luz pueden exhibir comportamientos tanto de ondas como de partículas, dependiendo de las circunstancias del experimento. Este fenómeno, bien comprobado empíricamente, implica que muchas partículas pueden tener comportamientos típicos de ondas en unos experimentos mientras aparecen como partículas compactas y localizadas en otros. Casi increíble, pero cierto. Pues bien, bajo esta premisa de la dualidad onda-partícula, la partícula asociada a las ondas electromagnéticas es el fotón. De este modo, podemos imaginar, no sin cierta lógica, que, en realidad, el Sol está emitiendo pequeñas partículas llamadas fotones que viajan por el espacio. Por lo tanto, desde esta perspectiva, la interacción de la luz con la materia sería mediante el choque de los fotones con la propia materia. Y en realidad esto es exactamente lo que ocurre. Es el choque de los fotones con la materia lo que produce el color. Pero, ¿por qué un color y no otro?

La interacción de los fotones (pequeñas partículas emitidas por el Sol) con la materia tiene lugar a nivel atómico, es decir, los fotones interactúan directamente con los átomos.

La interacción de los fotones con la materia tiene lugar a nivel atómico, es decir, los fotones interactúan directamente con los átomos. En los átomos, como bien sabemos, tenemos un núcleo formado por protones y neutrones y después tenemos los electrones girando en órbitas circulares alrededor del núcleo. Estas órbitas tienen tamaños y energías definidas por leyes cuánticas. Pues bien, cuando los fotones chocan contra los átomos, normalmente interaccionan con los electrones. Lo que ocurre en esta interacción es que el fotón puede ser absorbido, reflejado o transmitido. Que ocurra uno u otro fenómeno depende del tipo de átomo en particular, pero todos ellos intervienen a la hora de explicar por qué las cosas tienen cierto color. En la mayoría de los casos, el color de las cosas se debe a lo que se llama “absorción selectiva”. Absorción en este caso significa que un fotón interactúa con un electrón y ya no aparece más. Lo que ocurre es que ese fotón le cede la energía que transmite al electrón de tal forma que pasa a estar en un estado “excitado”. Cuando esto pasa con muchos electrones, el átomo tiene un exceso de energía que lo hace “vibrar”. Esta vibración se transmite a sus átomos vecinos y la “vibración” general provoca un aumento de la temperatura del cuerpo sobre el que la luz incide. Lo que ocurre es que no todos los fotones, cada uno con una longitud de onda distinta, serán absorbidos. Solo aquellos que tengan una longitud de onda similar al movimiento interno de los electrones podrán ser absorbidos, es decir, generar esta “vibración”. El resto de los fotones de otras longitudes de onda serán reflejados. La interacción fotón-electrón en la luz reflejada es muy parecido. El fotón “excita” al electrón que se queda con una energía extra. Pero en este caso, este estado no dura mucho y enseguida este electrón vuelve a su estado original reemitiendo un fotón de la misma energía (recordemos la ley de conservación de la energía, la energía ni se crea ni se destruye sólo se transforma) y, por lo tanto, de la misma longitud de onda que el original. Así pues, en resumen, tenemos parte de los fotones que son absorbidos por el material y otra parte que son reflejados. Y, como ya supondréis, sólo podemos ver los fotones reflejados. Es decir, el color no es más que la radiación solar reflejada por los distintos materiales que, dependiendo de su composición, absorberán y reflejarán fotones de distintas longitudes de onda. Pongamos un ejemplo. Una naranja es de este color porque de toda la luz blanca que impacta contra ella, sólo los fotones con longitud de onda en el naranja son reflejados, el resto son absorbidos por ella.

Una naranja es de este color porque de toda la luz blanca que impacta contra ella, sólo los fotones con longitud de onda en el naranja son reflejados, el resto son absorbidos por ella.

A partir de aquí, la visión antropocéntrica nos dice que el color es como nosotros percibimos los rayos luminosos. Pues bien, esos fotones reflejados con cierta longitud de onda, llegan a nuestro ojo y ahí son procesados por los conos y los bastones que son células especializadas, llamadas células fotorreceptoras, que se encuentran en la retina. Estas células son capaces de convertir, a través de un complicado proceso, la luz en un impulso eléctrico que el cerebro usa para percibir imágenes. Los bastones funcionan en condiciones de baja intensidad y proporcionan imágenes en tonos de negro, gris y blanco. Esto se conoce como visión escotópica. Los conos procesan imágenes de alta intensidad en color, lo que se conoce como visión fotópica. Los conos vienen en tres variedades que corresponden aproximadamente a las sensibilidades azul, verde y roja; si los tres conos se excitan simultáneamente, la imagen aparecerá en blanco.

Bien, ahora ya sabemos qué es el color, cómo se produce y cómo lo percibimos, luego estamos en condiciones de, finalmente, poder responder a la pregunta principal de este post, ¿por qué el cielo es azul? Explicar esto, ahora que sabemos muchas cosas de la interacción de la luz y la materia, es bastante sencillo, pero tiene algunas pequeñas diferencias con lo anteriormente explicado. Veamos. La atmósfera, como todos sabemos, es una capa gaseosa que envuelve la Tierra y está formada básicamente por aire y, en menor medida, por otros gases. Cuando la luz blanca llega a la atmósfera, esta va a interactuar con las moléculas de aire, pero, en este caso la interacción es diferente. Lo que ocurre es que la mayoría de los fotones atraviesan la atmósfera sin apenas interacción con el aire. Pero unos pocos, en concreto los de longitudes de onda más corta, es decir, los de tono azulado, sí sufren interacción con las moléculas de aire. Sin embargo, en este caso, no es ni absorción ni reflexión sino dispersión. ¿Qué es la dispersión? Es muy similar a lo que veíamos antes. El fotón choca con los electrones de las moléculas de aire que lo absorbe, pero inmediatamente se emite otro fotón de igual longitud de onda en todas las direcciones de forma aleatoria (Figura 2). Este proceso, al que se conoce como dispersión de Rayleigh, llamado así por Lord Rayleigh, quien lo descubrió por primera vez, se lleva a cabo en cadena en todas las moléculas de aire.

Cuando la luz blanca llega a la atmósfera, esta va a interactuar con las moléculas de aire, pero, en este caso la interacción es diferente. Lo que ocurre es que la mayoría de los fotones atraviesan la atmósfera sin apenas interacción con el aire.

Dispersión de los fotones con longitudes de onda cercanas al azul.
Figura 2. Dispersión de los fotones con longitudes de onda cercanas al azul.

Así pues, tenemos que a medida que la luz blanca del Sol llega a la atmósfera de la Tierra, gran parte de las longitudes de onda de luz roja, amarilla y verde pasan directamente a través de la atmósfera hacia nuestros ojos mientras que las ondas azul y violeta son dispersadas en la atmósfera. Esto hace que las ondas azul y violeta se separen del resto de la luz de tal forma que tenemos un conjunto de longitudes de onda que se mantienen juntas y otro conjunto azul-violeta que se dispersa. El conjunto del resto de fotones de distintas longitudes de onda se mantiene como un grupo y, por lo tanto, permanecen blancas. Todavía están mezclados, sin que la atmósfera los disperse, por lo que aún parecen blancos y no se perciben. Sólo somos capaces de apreciar la luz azul (la luz violeta es absorbida más por la atmósfera superior y, además, nuestros ojos no son tan sensibles al violeta como al azul por eso lo vemos más azul que violeta).

Lo hasta ahora comentado es la situación más común. Pero el color del cielo vemos que cambia dependiendo la hora que sea. Al atardecer vemos un cielo con tonos rojizos. Esto ocurre porque a medida que el Sol desciende, la cantidad de atmósfera que tendrá que atravesar la luz blanca aumenta (ver figura 3). Cuando el sol se encuentra en el ocaso, sus rayos pasan por una cantidad de atmósfera terrestre diez veces superior a cuando se encuentra en el cénit (punto más alto). Al aumentar la distancia recorrida por la luz blanca, más oportunidades para la dispersión, lo que ocasiona se disperse aún más la luz azul y violeta e incluso empiecen a dispersarse otros fotones de longitud de onda más larga como los verdes. Esto permite que los rojos, naranjas y amarillos pasen directamente a tus ojos sin otra competencia de longitudes de onda más corta. Además, las partículas más grandes de polvo, contaminación y vapor de agua en la atmósfera reflejan y dispersan más rojos y amarillos, lo que a veces hace que todo el cielo occidental se ilumine en rojo.

Al atardecer vemos un cielo con tonos rojizos. Esto ocurre porque a medida que el Sol desciende, la cantidad de atmósfera que tendrá que atravesar la luz blanca aumenta.

Dispersión de Rayleigh. Dispersión de la luz en diferentes momentos del día.
Figura 3. Dispersión de la luz en diferentes momentos del día.
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