Por Andrés Pinar Solé, alumno en prácticas en el Área de Información meteorológica y climatológica.

Agencia Estatal de Meteorología (Aemet)

Desde que somos pequeños, a todos en algún momento nos golpea la pregunta de por qué el cielo es azul. ¿Por qué no verde o morado? ¿Por qué no negro, como el espacio que lo rodea, si el aire es transparente? Y esta pregunta, aunque inocente, está lejos de tener una explicación sencilla. A continuación ofrecemos una aproximación a la causa del color del cielo.

En primer lugar y sin entrar en el jardín de la física cuántica, a veces demasiado florido, se puede describir la luz como una onda electromagnética que viaja siempre a la misma velocidad, pero que es capaz de vibrar con distintas frecuencias. La distancia que recorre una onda para completar un ciclo se denomina longitud de onda, y es diferente para cada frecuencia.

Onda (c es la velocidad de la luz)

El espectro de la luz es continuo, es decir, puede existir luz a cualquier longitud de onda, no solo en el visible; existen longitudes de onda mucho mayores y menores que las de los colores percibidos por el ojo humano: las ondas de radio tienen metros de longitud, las de microondas centímetros, el visible nanómetros, la radiación ultravioleta o la gamma son mucho más pequeñas…Todas ellas son luz que solo se diferencia por su longitud de onda. Ahora bien, ¿qué ocurre cuando la luz interacciona con la materia?

Espectro electromagnético

¿Alguna vez te has preguntado por qué ves las cosas? ¿Es que emiten luz los objetos? Generalmente no, por eso no vemos nada al bajar la persiana (dejando aparte la fluorescencia y la radiactividad). Por tanto, es necesario que la luz interaccione con la materia para que la veamos. Lo que ocurre es que, aunque existen un número infinito de frecuencias, y por tanto, de tipos de luz, solo algunas son capaces de interactuar con cada tipo de átomo, dependiendo de sus características.

La luz que no interactúa es absorbida por los átomos (aumentando la temperatura del cuerpo) o bien es reflejada en su totalidad si el ángulo de incidencia es suficientemente grande (Ley de Snell). Sin embargo, las longitudes de onda que interactúan con los átomos son absorbidos por ellos, los excitan, y al desexcitarse el átomo emite luz de las mismas características que la absorbida. Esta emisión es la que llega a nuestros ojos. Los átomos emiten luz, sí, pero solo cuando reciben luz del exterior, y solo en determinadas frecuencias. Una fresa absorbe todas las frecuencias y reemite solo la roja, que es la que excita al átomo de su superficie. Podemos ver gracias a la reemisión de luz, no a su reflexión, como erróneamente se piensa.

Tras la intentona de explicación de éste complejo fenómeno electro/cuántico, abordemos el tema del que trata éste artículo. El sol emite ciertos tipos de luz, no todas los tipos, como se suele creer, sin embargo, la combinación de ellos es lo que percibimos como luz blanca, aunque en realidad no contenga todas las longitudes posibles en el rango visible (pero prácticamente todas). La luz atraviesa el espacio y ocho minutos después de ser emitida golpea la atmósfera.

Un inciso. Al igual que los átomos absorben y emiten determinados tipos de luz, así lo hacen las moléculas, sin embargo de una manera diferente. El componente atmosférico clave en éste proceso es el nitrógeno. La molécula de nitrógeno, como muchas otras, tiene la propiedad de recibir luz de una longitud de onda y reemitir la luz en otra dirección (dispersión Rayleigh) de forma muy desigual entre longitudes de onda diferentes: la luz azul (longitud de onda corta) es mucho más dispersada que la roja (longitud de onda larga).

Dispersión Rayleigh

Lo que ocurre en la atmósfera al penetrar en ella un rayo de luz compuesto por muchas longitudes de onda es que los rojos, amarillos y verdes la atraviesan sin apenas ser dispersados, es decir, entran en la atmósfera y no se desvían, impactando contra la superficie o volviendo al espacio según su ángulo de entrada. Las longitudes azules, sin embargo, son dispersadas por el efecto Rayleigh y reflejadas por las partículas en suspensión, de manera que la dirección de la luz azul se homogeniza en todas direcciones por el cielo, tiñendo el cielo de éste color, que es el que vemos nosotros. En otras palabras, casi toda la luz azul se »queda» en el cielo, y las demás frecuencias atraviesan la atmósfera.

Se podría pensar que, debido a ello, solo deberíamos percibir tonos rojizos o verdes, y de hecho estas son las longitudes de onda predominantes en el espectro que somos capaces de ver: el ser humano distingue más tonalidades de verde que de ningún otro color, y es especialmente sensible al rojo. Sin embargo, que estas predominen no implica que no exista luz de todos los colores posibles en menor cantidad, dando como resultado luz blanca, la que vemos nosotros.

Dispersión Rayleigh durante el día y durante la salida/puesta de sol

¿Qué ocurre entonces al atardecer? Los rayos del sol llegan tan paralelos que la atmósfera que atraviesan es mucho mayor que durante el día, de esta manera la luz azul, que recorre más distancia, es muchísimo más dispersada y se diluye; solo vemos el color rojizo apenas dispersado, aunque lo suficiente como para ser más notable que durante el día.

Atardecer, por Rubén del Campo

¿Esto ocurre igual en todos los planetas? El fenómeno de la dispersión Rayleigh está presente si existe atmósfera. En Marte, por ejemplo, la atmósfera es tan fina que la luz azul dispersada no puede rebotarse hacia el interior del planeta, por lo que en este planeta predomina una atmósfera con tonos rojizos. Los atardeceres marcianos, sin embargo, son azulados debido a que la luz azul encuentra algo más de atmósfera con la que dispersarse.

Atardecer en Marte, NASA

Imágenes:

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• https://elrincondemaxwell.wordpress.com/2016/04/06/dispersion-de-rayleigh-por-que-el-cielo-es-azul/
• https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=4581
• http://photonicswiki.org/index.php?title=Dispersion_and_Scattering_of_Light