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| Atardecer en Dénia, Alicante. Junio de 2023. Foto de Marilina Ruiz de Elvira |
Cada atardecer decenas de cámaras apuntan a las
espectaculares puestas de sol, particularmente hermosas en algunos entornos. La
fascinante paleta de colores (con predominio de naranjas, rosas y amarillos) es un juego de luces que, procedente de los rayos solares, cambia cada
día la faz de la Tierra, aunque un tanto paradójicamente deje el espacio a oscuras.
Dejando a un lado la oscuridad de la noche, cuando el Sol deja de
iluminar la mitad del planeta, el espectáculo de luz y color de cada día pasa
por dos fases: las multicolores del Sol crepuscular y la luz
diurna que, salvo que el cielo esté encapotado, es de un azul casi perfecto.
Puede que se muestre más plomizo por la acción de las nubes o quizás más
claro cuando está despejado, pero el color del cielo siempre es azul. ¿Por qué
esta tonalidad de color y no otra? ¿Por qué el cielo es de color azul y el
universo negro, como muestran las imágenes espaciales? ¿A qué se debe el cambio
de color con la salida y la puesta del Sol?
Vamos a responder a ambas preguntas. En primer lugar, habría que
definir con alguna precisión los dos agentes implicados en que el cielo
adquiera este color: luz y atmósfera.
La física del juego de luces celestial
Piensa que estás dentro de una cámara cerrada completamente a oscuras
en la que un solo orificio deja penetrar un rayo de luz, que verás como una luz
blanca. Coloca ahora una lámina translúcida que interrumpa la trayectoria del
rayo. Observarás que la luz se descompone en una panoplia de colores que te
resultará familiar. No te equivocas: son los colores del arcoíris.
Utilizando un prisma de vidrio Isaac Newton demostró
en 1672 que la aparente luz blanca del Sol no era un rayo puro y monocromático,
sino una mezcla de diferentes colores, cada uno de los cuales experimenta una
desviación distinta ya que el índice de refracción de, por ejemplo, el vidrio
es diferente para cada uno de los colores.
La luz es una forma de energía que se transmite en ondas electromagnéticas
que pueden viajar a una velocidad de 300 000 kilómetros por segundo en el vacío.
Esas ondas son de longitudes diferentes. La longitud de onda es la distancia
entre dos "crestas" sucesivas de una onda. La velocidad de la luz en
el vacío es constante e independiente de su longitud de onda. Sin embargo, su
velocidad en cualquier otro medio sí que depende de su longitud de onda.
Nuestros ojos pueden ver un cierto rango de longitudes de onda, que
corresponden a distintos colores: desde el rojo (longitud de onda más larga),
pasando por anaranjado, amarillo, verde y azul, al violeta (la longitud de onda
más corta que podemos ver). Para tener una idea, al color verde corresponde una
longitud de onda de unas cinco diezmilésimas de milímetro.
Encienda una linterna en plena oscuridad y comprobará que el haz de luz viaja en línea recta. Ese es el comportamiento de la luz, a menos que encuentre un objeto a su paso y experimente al menos alguno de estos cuatro cambios:
Reflexión, como sucede con los espejos.
Refracción, cuando cambia la densidad del medio como sucede, por ejemplo, cuando un lápiz introducido en un vaso de agua parece doblarse. Cada material tiene un índice de refracción diferente (es decir, se refracta de forma particular), porque la refracción depende de sus respectivas estructuras moleculares y, en última instancia, de su longitud de onda.
Dispersión, cuando un rayo lumínico que aparenta ser único se descompone en una gama de colores, como hizo Newton y como ocurre con las gotas de agua que flotan en la atmósfera un día de lluvia cuando se despeja y la luz las atraviesa para formar el arcoíris (Figuras 1, 2 y 3). La dispersión es una consecuencia de la refracción: la luz también atraviesa un medio, pero, además, se descompone en sus diferentes longitudes de onda, de tal forma que las longitudes más largas (rojos) se desvían menos que las longitudes más cortas (azules).
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| Figura 1. A. La luz es una forma de radiación electromagnética, un tipo de energía que viaja en ondas de diferentes longitudes (λ). En conjunto, todos los tipos de radiación conforman el espectro electromagnético. El ojo humano solo puede ver las longitudes entre 400 y 700 nanometros (nm), el llamado espectro visible. B. Cuando la luz atraviesa dos medios de densidad diferente (agua y aire, en la imagen), experimenta los fenómenos de refracción y reflexión. |
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Figura 2. Cuando un haz de luz atraviesa un prisma de cristal se descompone en las distintas radiaciones monocromáticas que apreciamos en el espectro visible. El arcoíris se forma cuando nuestra vista y los rayos de luz interactúan en un ángulo de 42 grados con los millones de gotitas en suspensión que constituyen cualquier cortina de agua, desde la copiosa lluvia al modesto riego de un aspersor. El rayo de luz viaja por el aire y penetra en las gotas; al hacerlo, pasa de un medio a otro de mayor densidad y, como consecuencia, la luz pierde velocidad. Si entrase perpendicular, no pasaría nada, pero sobre las esferas acuosas casi siempre penetra en un cierto ángulo y, además de frenarse, se desvía porque los distintos rayos se detienen en momentos diferentes. Imagen de Luis Monje.
Absorción, cuando la luz es atrapada por el medio con el que tropieza. Cuando un cuerpo absorbe todos los colores contenidos en la luz blanca (es decir, no refleja ninguno), aparece negro en nuestro cerebro. Cuando refleja todos los colores del espectro, el cuerpo parece blanco. Los colores absorbidos desaparecen en el interior del objeto, los reflejados llegan al ojo humano. Los colores que visualizamos son, por tanto, aquellos que los propios objetos no absorben, sino que los propagan (Figura 3).
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Figura 3. Cuando la luz blanca pasa por un prisma se separa en todos
sus colores. Igual que en el caso de la energía que circula en las ondas
oceánicas, la luz también viaja en ondas, parte en ondas breves
y cortas y parte en ondas de larga duración. Las ondas
azules son más cortas que las rojas.
¿Por qué apreciamos los colores?
La retina humana contiene dos
tipos de células fotorreceptoras responsables de la visión: por su forma los llamamos conos (unos 7 millones en cada ojo) y bastones (unos 130 millones).
Los bastones nos ayudan a ver en condiciones de poca luz, pero no proporcionan
información sobre el color. Los conos funcionan cuando hay luz abundante y dividen
el mundo en colores.
Tanto los conos como los bastones contienen productos químicos
conocidos como fotopigmentos
que se descomponen ante la exposición a la luz y, en el curso del proceso,
excitan a las fibras nerviosas que salen del ojo. Es importante tener esto en
cuenta: el color de un pigmento es el resultado del balance entre la longitud
de onda reflejada y la absorbida.
Por ejemplo, el color verde de las plantas se debe a la presencia de
las clorofilas, unos pigmentos que absorben la mayoría de las radiaciones del
espectro visible, y reflejan los verdes. Cuando abunda en las células, como
sucede durante la temporada de crecimiento de primavera e inicios de verano, el
color de la clorofila domina y enmascara los colores de cualquier otro pigmento
que pudiera existir en la hoja.
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| Figura 4 |
Cuando un cuerpo absorbe todos los colores contenidos en la luz blanca
(es decir, no refleja ninguno), aparece negro en nuestro cerebro. Cuando
refleja todos los colores del espectro, el cuerpo aparece blanco. Los colores
absorbidos desaparecen en el interior del objeto, los reflejados llegan al ojo
humano. Los colores que visualizamos son, por tanto, aquellos que los propios
objetos no absorben, sino que los propagan (Figura 4).
Para seguir avanzando, hay que hablar un poco de la atmósfera.
¿Qué es la atmósfera, de qué se compone y cómo afecta a la luz?
Lo primero que conviene recordar es que la atmósfera es una capa
gaseosa que envuelve a la Tierra hasta una altura aproximada de 1 000 km,
aunque más de la mitad de su masa se concentra en los primeros 6 km y el 75 %
en los primeros 11 km de altura desde la superficie planetaria. Por encima de
la atmósfera, está el espacio vacío.
El Sol se encuentra a una distancia de 150 millones de km. Por tanto,
un rayo de Sol recorre la inmensa mayor parte de su recorrido en un espacio
vacío. La atmósfera está compuesta de un 78% de nitrógeno, un 21% de oxígeno y
un 1% de argón y vapor de agua. También hay diminutas partículas de polvo,
cristales de hielo o cenizas que afectan a la luz solar cuando tropieza con
ellas. Cuanto más próxima a la superficie terrestre esté la atmósfera, más
densa es.
Cuando los rayos de luz solar, que viajan en línea recta por el espacio
vacío, alcanzan el límite superior de la atmósfera se produce un cambio de
densidad y, por tanto, el comportamiento que experimentan los rayos lumínicos cambia
según el fenómeno descubierto en 1870 conocido como la dispersión de Rayleigh.
Las motas de polvo, las cenizas y las gotitas son de tamaño mucho mayor que la
longitud de onda de la luz visible, por lo que actúan como “espejos” que
reflejan la luz en distintas direcciones, sin alterar su color. En cambio, las
moléculas son más pequeñas que cualquier longitud de onda del espectro, por lo
que pueden absorber la luz y luego emitirla en cualquier dirección.
La luz azul se dispersa más fácilmente porque está compuesta de ondas
cortas y más pequeñas. La mayor parte de la luz roja, anaranjada y amarilla
pasa sin ser casi afectada, porque tiene longitudes de onda largas. Este es el
motivo por el que vemos el cielo azul la mayoría del tiempo (Figura 5A).
Cerca del horizonte (Figura 5B), el cielo se vuelve de un color azul
pálido o blanco, porque la luz del Sol que llega desde la parte más baja del
cielo ha atravesado más aire que la luz que nos llega desde arriba. Cuando la
luz del Sol pasa a través de tanto aire, las moléculas del aire dispersan y
redispersan la luz azul varias veces y en muchas direcciones.
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| Figura 5 |
A mediodía la luz solar llega perpendicular. En el ocaso llega tangencialmente (Figura 5C), recorre un camino más largo (un 30% más), es más absorbida por la atmósfera y llega menos intensa. Además, con un recorrido a través de la atmósfera la luz solar vuelve a dispersarse. En el ocaso llega a dispersar completamente hasta el amarillo y a nuestro ojo llegan los dos colores que quedan, naranja y rojo. Estos efectos se incrementan con los contaminantes que contribuyen a puestas de sol espectaculares, pero que obedecen a serios problemas ambientales que los expertos pueden interpretar.
Un segundo efecto es que en el ocaso el Sol pierde su esfericidad. Por un
efecto óptico, una especie de espejismo, provocado por la refracción que hace
que en el horizonte lo veamos más elevado de lo que realmente está, como ocurre
al sumergir un lápiz en un vaso de agua.
Por eso, cuando vemos la parte baja del Sol tocar el horizonte,
realmente su casquete inferior ya está oculto. Gracias a ese efecto óptico, la
parte inferior se eleva más que la parte superior. Por ello, el resultado final
es el de una esfera achatada por la parte inferior y ligeramente apuntada por
la superior.
La interacción de la luz solar con la atmósfera terrestre hace que haya
claridad después del ocaso y antes del orto del Sol (crepúsculos). Además, la
refracción atmosférica hace que el Sol o las estrellas se vean siempre por
encima de su posición real, alargan el día en el amanecer y en el ocaso provocando
errores en la medición de las salidas y puestas solares.
¿Por qué el cielo es de color azul y el universo negro?
Espero que ya lo hayan adivinado: como en el espacio no hay moléculas que la dispersen, la luz viaja en el más puro vacío. No hay reflexión ni dispersión ni absorción: así que no hay espectro visible. ©Manuel Peinado Lorca. @mpeinadolorca.