Esparcimiento de la luz

En una entrada anterior definimos el motivo por el cual el cielo se ve azul normalmente, menos cuando el sol está cercano al horizonte en el orto y el ocaso (salida y puesta del sol).

Un breve recordatorio de qué es la luz: es una onda electromagnética. Aquí entramos un poco en el choque entre la física clásica y la física moderna. Los fotones son las partículas que componen la luz, pero la luz en sí no es un haz de partículas, aunque tampoco una onda en el sentido clásico. Para no confundir, tomaremos la definición que más nos convenga en cada caso. Estas ondas, dependiendo de su frecuencia (las veces que oscilan en un segundo), toman una “forma” u otra. Una onda de radio, o microondas, no difiere de la luz que podemos ver los humanos en nada más que en su frecuencia o longitud de onda.

Entremos ahora en el concepto de esparcimiento (también llamado dispersión). Proviene del inglés scattering y muy resumido sería, como la luz al pasar a través de un medio material, una parte de ella es desviada hacia otras direcciones.

Para visualizarlo, imaginemos la atmósfera, las partículas de nitrógeno, oxígeno… que la componen, como puntos singulares distribuidos en un espacio. La luz entraría por un extremo, e iría “rebotando” en cada una de esas moléculas. En esencia no es rebotar, sino que la luz es absorbida por la molécula, y reemitida luego en todas direcciones. Esto tiene sentido si imaginamos un rayo de luz: ¿por qué lo vemos? Lo vemos porqué parte de esa luz es desviada hacia nosotros, que lo vemos de lado.

Este es el proceso que estamos describiendo, se llama dispersión de Rayleigh. Ahora, ampliando un poco el tema de los colores. Todas las moléculas tienen resonancia en el ultravioleta. Esto significa, que tienen la capacidad para esparcir la luz ultravioleta, y cuanto más cerca de ella, más puede ser esparcida. Una imagen para recordarnos en qué posición está cada color:

Vemos pues, que cuanto más a la izquierda, más esparcida será la luz. Entonces, lo que pasa de por si es que se esparce mucho el ultravioleta y el violeta ¿Por qué no vemos el cielo violeta pues? El ultravioleta queda claro, que no podemos verlo (ultra-violeta, más allá del violeta, nuestro ojo no puede percibirlo). Con el violeta lo que pasa es que el ojo humano es menos sensible a él, o sea, es una cuestión biológica y no física. Si pudiéramos percibirlo igual que el azul, veríamos el cielo violeta, pero como podemos ver mejor el azul, éste predomina a nuestra vista.

Cuando hay un atardecer, los rayos del sol deben viajar más trozo de atmósfera, por lo que la luz cada vez es “menos energética” y está más esparcida. Recordemos que cuanto más cercano al violeta, más se esparce. Entonces, en esa situación, se ha esparcido ya toda la luz en el violeta, azul, verde y amarillo, quedando solo naranja y rojo.

 

Hay otro fenómeno, llamado difusión de Mie (o dispersión también, en algunos libros) que sucede en dirección a donde va el rayo. Puede uno hacerse una idea, imaginando la dispersión como ondas esféricas que emite cada molécula. Al ser esféricas, se esparcirán en todas direcciones, pero debemos tener en cuenta que el rayo principal, parte de él, no es absorbido. Por lo que sigue en dirección recta (podemos ver el sol de color blanco-amarillo, aunque el cielo sea azul), y este se suma a la dispersión en esa dirección.

Diferencia entre dispersión de Rayleigh y dispersión de Mie:

Saludos y hasta la próxima

Kapteyn

¿Por qué el cielo es azul?

Es una pregunta formulada muchas veces, y respondida ya tantas otras, pero jamás respondida por mi, así que vamos allá.

La luz que emite el Sol es, podríamos decir, blanca (ciertamente tiende al amarillo, pero este es un tema que trataré en otra entrada). Esto quiere decir, como ya sabemos, que contiene toda la gama de colores que el ojo humano puede reconocer (y más, pero nos interesa esta parte concreta del espectro).

Hasta aquí bien. El tema está en que, cuando la luz incide sobre la materia, en este caso la atmósfera, “choca” contra las moléculas del gas que la compone. Mayoritariamente Nitrógeno y Oxígeno. Las moléculas absorben la energía de la luz, y emiten solo una determinada. La luz se expresa, como toda onda, con una determinada longitud de onda (y frecuencia asociada). La longitud de onda es, la longitud que hay entre dos puntos iguales de la onda. Podríamos considerar un punto cualquiera, y si “avanzamos” por la onda, esta subiría (o bajaría) para volver a bajar y estar en la misma “altura”. Esta medida es la longitud de onda, que puede ser mayor o menor.La luz azul/violeta tiene menor longitud de onda, y la roja mayor, estando cada una en el extremo de la luz que los humanos podemos ver.

Normalmente las moléculas reflejan la radiación con una longitud de onda del órden de su tamaño, que curiosamente para el nitrógeno y el oxígeno es aproximadamente el azul (también el violeta, pero el ojo humano capta mejor el azul). Este fenómeno es llamado dispersión de Rayleigh.

La luz azul/violeta, es la más energética del espectro visual. Podríamos decir, coloquialmente, que la luz se dispersa “poco”. Pero, en el atardecer y en la salida del sol, como el sol está bajo en el cielo, debe la luz de él atravesar una cantidad mucho mayor de atmósfera. Entonces pues, la luz se dispersa más, y “pierde más energía”. Esto se traduce en una mayor longitud de onda (y menor frecuencia). Por lo que la luz acaba en tonos anaranjados o rojizos.

Aclarar que, esto sucede en las zonas próximas al sol (aparentmente, claro), ya que la luz sigue dispersándose de un modo similar por todo el resto de la atmósfera. Podríamos decir que la luz va rebotando por toda la atmósfera, por esto que se ve todo el cielo azul y no solo la zona que rodea al sol.

 

Dibujo y explicación de las dispersiones de Rayleigh y Mie.

 

Por último, las nubes se ven blancas ya que son gotas de agua, de un tamaño mucho mayor que las moléculas de gas del N y O. Lo que pasa en tal caso es que la luz se dispersa totalmente, quedando como era, blanca. Esta dispersión es mayor si nos encontramos justo en el otro lado. Es en esa dirección cuando la dispersión es mayor (tiene el nombre de dispersión de Mie). Esto sucede también para aerosoles presentes en la atmósfera (polvo, etc..), y propicia amaneceres/atardeceres más rojos aún que solo por la dispersión de Rayleigh.

Hay un hecho curioso, es que en Marte esto se invierte. Los atardeceres en Marte, son azules (debido al tamaño del polvo en su atmósfera) pero durante el día el cielo tiene un tono rojizo-rosado. El polvo en cuestión está formado mayoritariamente por óxidos, lo que le confiere un color similar al de su propio suelo. Puede parecer contradictorio con lo antes explicado, pero hay que tener en cuenta que el mayor peso en la dispersión se lo lleva el polvo, como he explicado, y no los gases de la ténue atmósfera marciana (además compuesta en su enorme mayoría por dióxido de carbono). Al anochecer naturalmente, como en la Tierra, el Sol está más bajo y permite la dispersión hasta lograr tonos azulados al ser más gruesa la capa de gas que debe atravesar la luz. Entra en juego también la dispersión de Mie, como en los atardeceres terrestres, donde ya he explicado que es debida a, también, aerosoles.

Dejo un par de imágenes, que siempre vienen bien para ilustrar la teoría:

 

Parte del cielo de Marte durante el día (JPL-NASA).

Atardecer en Marte, imagen tomada por el Curiosity. Aproximadamente así es como vería el ojo humano un atardecer en Marte, pero la cámara del Curiosity tiene menos sensibilidad al azul, así que se vería más azulado. (JPL-NASA).

Saludos y hasta la próxima

Kapteyn