En un día claro y sin muchas nubes, el cielo se ve de un color azul, en las tardes cambia a un color rojizo por el lado del sol y en las noches pues negro ... pero alguna vez te has preguntado ¿a qué se debe esto?
La dispersión de Rayleigh de la luz es la principal razón de que el cielo se vea azul y de cualquier otro color. Esta respuesta trae más preguntas que respuestas, pero digamos que tiene que ver con la naturaleza de la luz su separación en colores y con la atmósfera.
Veamos cómo sucede entonces:
La luz que el Sol emite se ve blanca, pero en realidad está compuesta de todos los colores del espectro visible, solo que combinados. Estos colores los podemos ver fácilmente en los arcoiris, que surgen de la descomposición de la luz blanca. Cada uno de estos colores tiene su propia longitud de onda, frecuencia y energía; creo que por ahora sería suficiente entender que la luz viaja como ondas, como las que surgen al arrojar una piedra en un estanque de agua, pero que obviamente no podemos ver. La luz también tiene asociada una energía según su longitud de onda. Por eso sentimos que las cosas se calientan al estar expuestas al sol por ejemplo.
La atmósfera terrestre está compuesta en su mayoría de gases, como el nitrógeno y el oxígeno. También hay partículas de polvo, vapor de agua, y muchas otras moléculas.
La luz viaja a través del espacio en línea recta a menos que algo la interrumpa. A medida que sigue a través de la atmósfera continúa en línea recta hasta que se topa con polvo o moléculas de gas. Lo que le pase luego a la luz dependerá de su longitud de onda y del tamaño y tipo de las partículas con las que choca.
Imaginemos que dejamos pasar un rayo de luz blanca a través de un prisma de vidrio. La luz se descompone en los colores del arco iris debido a la refracción. El rayo de color violeta es el que se desvía más en el prisma. Esta es la explicación del color del cielo. La desviación es máxima para los colores de longitud de onda corta como el violeta y el azul. Los colores rojo y amarillo casi no se desvían. Entonces una vez que se dispersan el color violeta y el azul empiezan a chocar y rebotar con las partículas en el aire hasta que finalmente llegan a nosotros desde todas direcciones como el color azul que podemos distinguir. ¿Por qué el sol se ve amarillo entonces? El Sol se ve amarillo en el cielo porque los rayos de color amarillo y rojo son poco desviados y llegan a nosotros casi en línea recta desde el Sol, además se ve así debido a que se filtra la luz azul.
Entonces el cielo debería ser violeta, ¿no?
Pues no, y hay dos motivos principales para esto: la luz solar contiene más luz azul que
violeta y porque el ojo humano (que en definitiva es el que capta
las imágenes -aunque el cerebro las interprete-), es más
sensible a la luz azul que a la violeta.
Hay una explicación más científica para esto, un poco más compleja:
La luz es una onda electromagnética y las piezas fundamentales de la materia en su estado más frecuente en la Tierra, son los átomos. Si las partículas existentes en la atmósfera, tienen un tamaño igual o inferior al de la longitud de onda de la luz incidente (átomos aislados o pequeñas moléculas), la onda cede parte de su energía a la corteza atómica que comienza a oscilar, de manera que un primer efecto de la interacción de la luz con las partículas pequeñas del aire es que la radiación incidente se debilita al ceder parte de su energía, lo que le sucede a la luz del Sol cuando atraviesa la atmósfera. Evidentemente esta energía no se queda almacenada en el aire, pues cualquier átomo o partícula pequeña cuya corteza se agita, acaba radiando toda su energía en forma de onda electromagnética al entorno en cualquier dirección. El proceso completo de cesión y remisión de energía por partículas de tamaño atómico se denomina difusión de Rayleigh (en honor del físico inglés Lord Rayleigh que fue el primero en darle explicación) siendo la intensidad de la luz difundida inversamente proporcional a la cuarta potencia de la longitud de onda. La difusión será mayor por tanto, para las ondas más cortas: Como consecuencia de ello, llegamos a la misma conclusión, la luz violeta es la más difundida y la menos, la roja. El resultado neto es que parte de la luz que nos llega desde el Sol en línea recta, al alcanzar la atmósfera se difunde en todas direcciones y llena todo el cielo.
La difusión producida por los gases es muy débil, sin
embargo, cuando el espesor de gas es muy grande, como sucede en
la atmósfera, fácilmente se puede observar la luz difundida.
A medida que vemos más hacia el horizonte, el color azul se va volviendo más claro y casi llega a ser blanco. Esto se debe a que para llegar hasta nosotros, esta luz debe viajar a través de más aire, más polvo, y más
Durante las salidas y puestas de sol los colores varían más. Los colores que nos ofrece el cielo en estos casos, se originan también gracias a la intervención de las moléculas existentes en el aire y de las partículas que éste tiene en suspensión "el aerosol atmosférico", que dispersan y desdoblan la luz solar de múltiples modos.
Cuando el Sol se halla a una distancia angular del horizonte
de 1 ó 2°, la luz crepuscular derrama sobre el borde del cielo
su mágica luminosidad. Poco a poco, el resplandor amarillo se
transforma en una luz rojo-anaranjada, y, finalmente, en una
luminosidad centelleante color fuego, que, algunas veces, llega a
presentar el rojo color de la sangre. Cuando ya el astro diurno
ha desaparecido bajo el horizonte, se observa en el oeste del
cielo un resplandor purpúreo, que alcanza su máxima intensidad
cuando el Sol ha descendido unos 5° por debajo del horizonte.
Encima del lugar en donde se ha puesto el Sol, separado del
horizonte por una estrecha franja rojo-parda, suele verse un
semicírculo cuyo color varia entre el púrpura y el rosa. Esta
coloración se debe en esencia a la refracción de la luz solar
en las partículas que enturbian el aire situado entre los 10 y
los 20 km. de altura, y desaparece cuando ya el Sol ha llegado a
los 7 ° por debajo del horizonte.
Si la tierra no tuviera atmósfera, la luz solar alcanzaría
nuestros ojos directamente desde el disco solar y no
recibiríamos luz difundida y el cielo aparecería tan negro como
por la noche (los astronautas pueden observar durante el día las
estrellas, la luna y los planetas debido a que están fuera de la
atmósfera).
Finalmente, el color negro de la noche se debe a que no hay suficiente luz para ser difundida.
Hay muchas preguntas que hemos resuelto a partir de esta, y muchas otras que se me han ocurrido. Pronto las iremos viendo.
Hasta la próxima pregunta!
Referencias bibliográficas
¿Por qué el cielo es azul? La belleza del cielo a través de la física. URL: http://enebro.pntic.mec.es/fmag0006/cielo/Color_del_Cielo.htm
Why is the sky blue? URL: http://visual.ly/why-sky-blue
Why is the sky blue? by the Science Made Simple. URL: http://www.sciencemadesimple.com/sky_blue.html
Why is the sky blue? http://spaceplace.nasa.gov/blue-sky/
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