Azul Cielo

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En un día soleado y despejado el cielo se ve azul, mientras que el Sol es de un blanco amarillento enceguecedor. Todo cambia en el ocaso, el Sol suele verse rojo y no tan brillante, y el cielo del poniente también se ve rojizo. ¿A qué se debe todo esto? A continuación se da una breve explicación.

Las ondas de luz

La luz presenta una naturaleza dual: depende de cómo la observemos se manifestará como una onda o como una partícula (c.f. el video "Luz: naturaleza y propiedades" http://www.youtube.com/watch?v=IuCeCicB9W0). Estos dos estados no se excluyen, sino que son complementarios. Para responder a nuestra cuestión tomaremos una aproximación del modelo de onda, i.e la luz es una forma de energía que se transmite en ondas. A diferencia del sonido, que también viaja en forma de ondas pero que requiere de un medio material (aire, agua, sólidos) para transmitirse, la luz es una onda electro-magnética, que puede viajar en el vacío o en medios transparentes (como el aire y el agua). La luz del Sol está compuesta de infinidad de ondas de diferentes longitudes de onda. La longitud de onda es la distancia entre dos "crestas" sucesivas de una onda. Nuestros ojos pueden ver un cierto intervalo de longitudes de onda, que corresponden a distintos colores: desde el rojo (longitud de onda más grande), pasando por anaranjado, amarillo, verde y azul, al violeta (la longitud de onda más corta que podemos ver). El ojo humano está muy bien adaptado para percibir el azul y es por ello que, en nuestra percepción, el azul domina sobre el violeta. Para tener una idea, al color verde corresponde una longitud de onda de unas cinco diezmilésimas de milímetro.

La atmósfera terrestre

La atmósfera terrestre es una mezcla de moléculas gaseosas. Una composición promedio basada en volumen es la siguiente: 78% nitrógeno, 21% oxígeno, 1% argón y vapor de agua, trazas de otros gases; hay también en suspensión partículas de polvo, cristales de hielo, cenizas, etc. La atmósfera es más densa cerca de la superficie terrestre, y se difumina monótonamente a medida que nos alejamos de la superficie terrestre.

La luz en la atmósfera

En el vacío, la luz viaja en línea recta, sin nada que la perturbe. Al penetrar en la atmósfera, la luz incide sobre las moléculas que componen la atmósfera. Cuando una onda luminosa choca con una molécula, ésta puede absorber la luz, y luego la emite en cualquier otra dirección. Este fenómeno se llama dispersión. Es pertinente mencionar que las moléculas son mucho más eficientes para dispersar la luz de longitud de onda corta (violeta o azul) que la luz de longitud de onda larga (rojo). Este proceso fue estudiado por el físico Lord John Rayleigh hacia 1870, por ello hoy le conocemos como "dispersión Rayleigh".

El cielo azul

El color azul del cielo se debe a la dispersión Rayleigh. Cuando la luz del Sol atraviesa la atmósfera para llegar hasta nosotros, la mayor parte de la luz roja, anaranjada y amarilla (longitudes de onda largas) pasa casi sin ser afectada. Sin embargo, buena parte de la luz de longitudes de onda más cortas es dispersada por las moléculas gaseosas del aire. A cualquier parte del cielo que miremos, estaremos viendo algo de esa luz dispersada, que es azul, y por eso el cielo es de ese color. En cambio, la luz que nos llega directamente del Sol perdió parte de su color azul, por eso el Sol se ve amarillento.

Figura 1. El color azul del cielo de una clara mañana es debido a la repetida absorción-emisión de la luz solar por parte de las moléculas que componen el aire.

El ocaso

A medida que el Sol está más cerca del horizonte, la luz debe atravesar una porción de atmósfera cada vez mayor para llegar a nosotros (recordemos que la atmósfera es muy delgada comparada con el radio terrestre). El color del Sol va cambiando primero a anaranjado, luego a rojo. Esto se debe a que se van dispersando cada vez más las longitudes de onda cortas (azul, verde), y sólo nos llega la luz más roja.

Figura 2. El color rojizo del ocaso es debido a la poca eficiencia de la atmósfera terrestre para dispersar los rojos y amarillos.

El cielo alrededor del sol poniente puede tomar colores muy variados. Cuando el aire contiene gran cantidad de partículas de polvo o gotitas de agua, éstas reflejan luz blanca en todas direcciones. Sobre esta luz actúa la dispersión Rayleigh, eliminando las longitudes de onda más cortas. Por eso el cielo se ve rojizo.

La belleza del cielo en cualquiera de sus formas, en el azul de una clara mañana o en el rojo anaranjado de un crepúsculo, ha hecho a los hombres deleitarse, poetizar e investigar una y otra vez. No importa en qué parte de la Tierra vivamos, tenemos todos un cielo en común. Notemos que la variabilidad de esta imagen es tan grande que nunca se reproduce exactamente. Y los colores salen de una paleta tan rica, que nuestros pintores dirigen, una y otra vez, su mirada al cielo, para inspirarse en el colorido de una puesta de sol o del arco iris. Y sin embargo, la belleza del cielo no es más que el resultado de la interacción de la luz del Sol con la atmósfera. Una cantidad de humedad, relativamente pequeña, acompañada de partículas de polvo y de ceniza es suficiente para provocar en el cielo las múltiples manifestaciones de color. Como lo expresa muy bien Theo Löbsack en su libro "El Aliento de la Tierra":

"Todas las coloraciones y formas que el cielo nos ofrece, tienen una propiedad común: que no pueden imitarse con los medios humanos. Siempre que se intenta reproducirlas sobre un lienzo, un papel, madera o metal, se fracasa irremediablemente. Son obra de un maestro que dispone de medios verdaderamente "celestiales". Su pincel es la luz solar, y su lienzo es el voluble éter con sus nubes y el finísimo tejido del velo del polvo atmosférico: ningún artista dispone de ellos."

Es importante recordar la pintura del artista italiano Giotto de Bondone (1267 – 1337), quien además de introducir la tridimensionalidad en la pintura, fue el primer pintor importante que pintó el cielo de azul, cuando lo tradicional era el color dorado. "Así el cielo perdió su carácter sagrado de casa de Dios. Deja de ser objeto de adoración y puede ser objeto de estudios empíricos" [José María Filardo Bassalo, Contactos 82, 53-57, 2011].

Finalmente, 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.