La razón por la que el cielo aparece azul es porque la luz del sol es dispersada por la atmósfera de la Tierra, siendo la luz azul dispersada más que otros colores debido a sus ondas más cortas y pequeñas.
Emily Dickinson escribe en uno de sus poemas que el cerebro es más amplio que el cielo. Su elección de palabras es concisa pero impactante. Las palabras correctas pueden pintar las imágenes más vívidas. Considera cómo su comparación inmediatamente nos trae a la mente un vasto cielo azul.
Un brillante disco de luz atraviesa el cielo azul, irradiando amarillo mientras se eleva, volviéndose blanco en su punto más alto y una mezcla de rojo sangre y naranja al ponerse. Este disco a menudo está oculto detrás de nubes sin color dispersas por el cielo. Se mueve por el cielo como un pincel grueso, pintándolo con sus colores cambiantes. Sin embargo, las nubes permanecen sin color.
El cielo azul claro. (Crédito de la foto: Aleksander Niz/Shutterstock)
Ahora surge la pregunta: ¿por qué estos elementos de la naturaleza tienen estos colores? Vamos directo al punto y exploremos el mecanismo físico detrás de este fenómeno. La respuesta se encuentra en un fenómeno llamado dispersión de Rayleigh.
El efecto Tyndall y la dispersión de Rayleigh
El mecanismo que hace que el cielo aparezca azul puede ser demostrado a través de un experimento simple. Si se ilumina un tanque de agua que contiene pequeñas partículas suspendidas en el aire, el agua aparecerá azul cuando se vea desde el costado y ligeramente roja cuando se vea directamente desde un extremo. Esto se conoce como el efecto Tyndall.
John Tyndall fue el primero en investigar por qué el cielo es azul. En 1859, descubrió que cuando la luz pasa a través de un medio, es dispersada en todas las direcciones por pequeñas partículas en el medio. Lord Rayleigh estudió posteriormente este fenómeno con más detalle y se le atribuye proporcionar una explicación completa.
Un arcoíris se forma por las gotas de lluvia que actúan como prismas. (Crédito de la foto: Asociación de Investigación Espacial Universitaria)
La luz blanca, como demostró Newton, puede separarse en siete colores distintos. La luz blanca es parte del espectro electromagnético y es el único rango de longitudes de onda que el ojo humano puede percibir. Rayleigh descubrió que cuando las partículas en el aire chocan con la luz solar, dispersan las diferentes longitudes de onda en todas las direcciones. Sin embargo, ciertas longitudes de onda se dispersan de manera más intensa que otras.
Estableció una relación que establece que la cantidad de dispersión es inversamente proporcional a la cuarta potencia de la longitud de onda. Esto significa que los colores con longitudes de onda más cortas se dispersan de manera más efectiva. Aunque las diferencias de longitud de onda son muy pequeñas (medidas en nanómetros), el efecto exponencial amplifica incluso la más mínima diferencia: un cálculo rápido revela que la luz azul se dispersa casi diez veces más que la luz roja.
La dispersión de longitudes de onda por partículas de esta manera es ampliamente conocida. Sin embargo, existe una idea equivocada acerca de las entidades responsables de dispersarlas. Muchas personas asumen incorrectamente y difunden la creencia de que son las partículas de gas o polvo las que dispersan las longitudes de onda. Incluso los renombrados científicos Rayleigh y Tyndall fueron engañados por esta creencia. Sin embargo, esto no es cierto. La interacción entre la luz y las partículas puede hacer que la luz se refleje, se doble como un prisma o se dispersa de manera aleatoria. Sabemos que el color azul del cielo es causado por la dispersión, específicamente la dispersión de Rayleigh.
Sin embargo, la dispersión de Rayleigh solo puede ocurrir si el tamaño de las partículas con las que la luz colisiona es comparable o menor que la longitud de onda de la luz. Las partículas de polvo o gas, ya sean naturales o no, son más grandes en tamaño. De hecho, si las partículas de polvo fueran las responsables, el color del cielo variaría constantemente con el clima. Fue Einstein quien descubrió más tarde que las moléculas eran las responsables de la dispersión de la luz. Son los momentos dipolares inducidos por la interacción con un campo electromagnético los que dispersan estas longitudes de onda. Los científicos han identificado ahora el nitrógeno y el oxígeno como las moléculas específicas involucradas.
Sin embargo, el cielo aparece rojo y adquiere un color rojo intenso durante los atardeceres. Esto se debe a que cuando el sol está cerca del horizonte, su luz tiene que recorrer una distancia más larga en comparación con cuando está directamente sobre nosotros. Esto hace que la luz pase a través de más aire y colisione con más partículas, lo que resulta en la dispersión de todas las longitudes de onda azules. Solo las longitudes de onda que aparecen rojas quedan atrás, por lo que percibimos el cielo como rojo, naranja y amarillo durante los atardeceres.
En cuanto al color pálido de las nubes, continúan apareciendo en tonos de gris porque sus partículas constituyentes son más grandes que la longitud de onda de la luz. Este fenómeno dispersa todas las longitudes de onda de luz por igual, lo que resulta en tonos que van desde el blanco algodón hasta el gris introspectivo. También se observa dispersión en Marte, donde el cielo a menudo es completamente rojo. Esto se debe a la abundancia de hierro en el aire, dispersado intensamente durante las tormentas de polvo.
Sin embargo, sería un error asumir que el cielo de Marte siempre es rojo basándose en imágenes. Ocasionalmente, cuando no hay tormentas, el cielo marciano aparece de un cierto tono de azul, más oscuro que nuestro propio cielo, porque su atmósfera es más delgada que la nuestra.
Ahora, surge la pregunta de por qué el violeta, la longitud de onda más corta en el espectro visible, no se dispersa más si las longitudes de onda más cortas se dispersan con más intensidad. Sorprendentemente, el cielo contiene algo de añil y violeta. De hecho, si no los tuviera, ¡el cielo aparecería azul con un toque de verde! La razón por la cual no podemos percibir estos colores tiene que ver con cómo percibimos los colores en sí mismos. El ojo humano detecta el color con la ayuda de tres receptores llamados conos, cada uno de los cuales responde a un color primario: rojo, verde y azul.
La disposición de los conos causa la combinación superpuesta y asimétrica de longitudes de onda, dando lugar a una variedad de colores que vemos a nuestro alrededor. El sistema visual no separa cada longitud de onda como un clasificador de monedas, sino que los conos se agrupan y combinan las longitudes de onda para producir diferentes colores. Aunque la televisión solo requiere los tres colores primarios para simular los tonos y la profundidad que observamos en la realidad.
Cuando miramos al cielo, el cono rojo se estimula con longitudes de onda rojas, amarillas y naranjas, el cono verde responde a algunas longitudes de onda amarillas y fuertemente dispersas de verde-azul, y el cono azul se estimula con las longitudes de onda azul más abundantemente dispersas. Sin embargo, el añil y el violeta también estimulan simultáneamente los conos azul y rojo, haciendo que estos colores «se desvanezcan» y resultando en un cielo azul pálido con un toque de rojo.
Nuestros ojos no son muy sensibles al violeta y al añil, por lo que hacen una generalización para evitar consumir demasiada energía. Esta generalización de percibir el cielo como un color puro podría no ser una coincidencia, sino más bien una ventaja evolutiva para separar los colores naturales.