Articulo.

El cielo se ve azul, ¿sabes por qué?




A diario vemos el cielo azul y quizá te has preguntado, o te han explicado, por qué es de ese color. Tenemos ropa de diversos colores, celulares, autos y más cosas que podemos elegir de acuerdo con nuestros gustos. En general, hemos encontrado la manera de controlar o elegir el color de los objetos que utilizamos día a día, utilizando tintes o colorantes secos en forma de polvo fino.


La luz blanca, como la de las lámparas y el sol, contiene todos los colores (aunque no todos en la misma cantidad). Cuando esta luz llega a un objeto pintado, con colorantes o tintes, estos absorben los demás colores y reflejan el color del objeto. Pero eso NO es lo que pasa en el cielo.


Espectro de radiación solar @

Primero debemos saber de qué está hecho el aire y nuestra atmósfera para comprender por qué el color azul predomina. Nuestro planeta está rodeado por una capa de gases a la que llamamos atmósfera. En la capa más baja (Troposfera: ~15 km de altura) se encuentra el mayor volumen del aire: una combinación de varios gases que, como están bien mezclados, se comportan como uno solo.


Atmósfera y su composición.

En general vemos el cielo de un tono azulado, pero cambia dependiendo de la posición del sol (en realidad, de la rotación de la Tierra). Recordemos que todo está hecho de átomos, y cargas eléctricas. También, que la luz es una onda electromagnética que carga energía, y altera (excita) a las moléculas del aire. John William Strutt (mejor conocido como Lord Rayleigh) hizo los cálculos para ver qué pasaba cuando la luz llega a partículas que son mucho más pequeñas que la longitud de onda (λ, lambda) de dicha luz. Las moléculas del aire tienen un tamaño aproximado de ~30 nanómetros (nm), mientras que las ondas de luz visible tienen longitudes entre 380 a 750 nm. Este estudio resultó en lo que hoy se conoce como Esparcimiento de Rayleigh. Las partículas pequeñas (si tienen cierta separación entre ellas) esparcen la luz con cierta intensidad en casi todas las direcciones (radiación dipolar).


Nota: En física se utiliza la palabra “Dispersión” para referirse a la separación espectral (por colores) de la luz, mientras que “Esparcimiento” para la separación espacial (en varias direcciones).


Antena y radiación dipolar. @Wikimedia commons

Ecuación de la intensidad esparcida.

Lo importante en la ecuación anterior es que la letra λ, que está asociada al color, está en el denominador (λ^-4) en la ecuación. Esto nos dice que el azul y el violeta, que son ondas cortas, se esparcen con una intensidad casi diez veces mayor que la intensidad de las longitudes de onda largas como las del color rojo. O sea que la luz roja no se esparce tanto en el cielo, sino que mantiene su dirección y recorre mayores distancias.



Tendencia de la intensidad de luz esparcida y los colores asociados. @The Science Asylum

Por esto, cuando miras al cielo durante el día en cualquier dirección predomina el azul. Este esparcimiento ocurre en una zona alta de la atmósfera donde las moléculas están lo suficientemente separadas. A menor altura, las moléculas están más juntas, y las ondas emitidas por todas ellas se suman (superponen), dejan de esparcirse y viajan como una sola. Por eso el aire en nuestra altura es transparente.


Te preguntarás ¿por qué los atardeceres son rojos?


Por esta misma razón, el Esparcimiento de Rayleigh. Por ejemplo, lo que hace un filtro rojo no es convertir lo blanco en rojo; sino absorber la luz azul, verde y amarilla, y transmitir el color complementario que en este caso es el rojo. Así mismo, cuando el Sol está en el horizonte, sus rayos deben recorrer una mayor distancia a través de la atmósfera; la luz azul y violeta se dispersa y se queda en algún otro lugar, en un cielo más cercano y resulta prácticamente filtrada. Cuando la luz llega a nuestros ojos está compuesta en su mayor parte de amarillo, naranja y, sobre todo, rojo. Por eso, los amaneceres y los atardeceres son tan hermosos.


Efecto Tyndall. @Wikimedia Commons

Unos experimentos con los que a veces se explica el Esparcimiento de Rayleigh son los del Efecto Tyndall, en los que se usan suspensiones coloidales: líquidos o gases con partículas muy chiquitas, las cuales generan el esparcimiento. Aunque tiene similitudes, como la dependencia de color, y es una excelente visualización, hablando de manera estricta estas partículas no son lo suficientemente pequeñas para entrar en la descripción del Esparcimiento de Rayleigh. Sin embargo, el Efecto Tyndall se puede explicar matemáticamente con el Esparcimiento de Mie, el cual también explica por qué las nubes son blancas. Pero de eso hablaremos en otro momento.



Resumiendo


El cielo tiene un tono azulado porque el aire esparce la luz del sol en todas direcciones, pero esto depende de la longitud de onda. Los tonos amarillos y rojizos, con longitudes de ondas más largas, atraviesan mayores distancias; mientras que los violetas y azules se esparcen más en distancias cortas. Esto da como resultado nuestro maravilloso cielo, y así como él, hay muchas más cosas a nuestro alrededor que pueden explicarse con ciencia. ¿Se te ocurre alguna?



Jairo C. Peralta

Físico y estudiante de doctorado en Bratislava, Eslovaquia.

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Glosario


Átomo: Unidad más pequeña de la materia que tiene propiedades de un elemento químico.


Carga eléctrica: Propiedad física intrínseca de algunas partículas subatómicas. Se manifiesta mediante fuerzas de atracción y repulsión entre ellas.


Excitación electrónica: Transición a un estado cuántico de mayor energía que el fundamental.


Homogénea: Un sistema homogéneo es aquel sistema material que presenta las mismas propiedades intensivas en cualquier parte de dicho sistema.​


Onda electromagnética: Oscilación en los campos eléctrico y magnético que viaja a través del espacio y transporta energía.


Radiación dipolar: Energía emitida por la oscilación de un par de cargas contrarias. Tiene una forma característica y se encuentra presente en las señales que envían las antenas de varios dispositivos electrónicos.


Suspensión coloidal: En general, un fluido con partículas sólidas muy finas, de diámetro comprendido entre 10⁻⁹ y 10⁻⁵ m.


Superposición: Cuando dos o más ondas se encuentran en un punto o una región del espacio, el resultado es una nueva onda cuya perturbación es la suma de las perturbaciones de las ondas originales.





Referencias


1. David R. Williams. (2021). Earth Fact Sheet. NASA.

https://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/earthfact.html


2. T.R. Dickson. (1975). Introducción a la química. Reverté.


Fuentes recomendadas


i) Alejandro del Mazo Vivar. (2016). Esparcimiento de Rayleigh”. Revista Eureka sobre enseñanza y divulgación de las ciencias. Recuperado de: http://hdl.handle.net/10498/18312


ii) Eugene Hecht. (1998). Óptica. Addison-Wesley. 3 Ed.


iii) Walter Lewin. (2019). Por amor a la física. DeBolsillo. ISBN 9788499921549.


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