Mama ... ¿Porque el cielo es azul?

¿Porque el cielo es azul durante el día y rojizo durante el amanecer y el atardecer?¿Porque las nubes son blancas y tienden al negro según van teniendo más carga de agua? Estas preguntas tienen, como respuesta, dos nombres propios: John William Strutt, tercer Barón de Rayleigh y Gustav Mie.

Pero para comprender bien el porqué de estos fenomenos, primero deberíamos responder dos preguntas previas. Por un lado ¿que es la luz?, y por el otro ¿que es el color?.

¿Que es la luz?

La luz es una radiación electromagnética, que es posible ser percibida por el ojo humano. Esta radiación electromagnética está producida por unas partículas subatómicas denominadas fotones, que son las responsables de todas las radiaciones electromagnéticas  incluyendo los rayos gamma, los rayos X, la luz ultravioleta, la luz visible, la luz infrarroja, las microondas y las ondas de radio.

Como todas las partículas subatómicas tiene una naturaleza corpusculo-ondulatoria, es decir, que por un lado se comporta como un objeto físico (corpusculo) y por otro, tiene un comportamiento de una onda. El primer comportamiento es fácil de entender: el fotón es una partícula física que se encuentra en un espacio determinado. 

El segundo comportamiento (ondulatorio) viene dado porque los fotones viajan en "grupos" o "paquetes", a los que denominamos "cuanto" (de estos paquetitos, viene el nombre de cuántico, que procede del latín  "quantus" -cuanto-). La distancia entre estos paquetitos, nos da lo que conocemos como longitud de onda.

Ahora ya estamos en disposición de contestar a la segunda cuestión...

¿Que es el color?

Podríamos decir que los colores son el conjunto de las diferentes longitudes de onda de radiación electromagnética que puede percibir el ojo humano. En el gráfico podemos ver las diferentes longitudes de onda y a que tipo de onda que corresponden. A las ondas que se pueden percibir por nuestros ojos, las llamamos "espectro del visible". Dentro del espectro del visible, los paquetitos que viajan más separados entre si (mayor longitud de onda), corresponden con el color rojo, que va poco a poco tendiendo hacia el violeta, según va haciéndose menor esa longitud de onda (los paquetitos viajan más cerca unos de otros). Las ondas que tienen una longitud de onda tan alta que se salen del espectro del visible se denominan "infrarrojas" y las que tienen una longitud de onda tan corta que tampoco las podemos ver, se denominan "ultra violeta".

Hay que poner atención el que el color no es una propiedad de los objetos o de la onda electromagnética, sino que es un fenómeno profundamente psicológico. El hecho de que veamos los objetos de nuestro alrededor de un determinado color, se debe a que nuestro cerebro interpreta así la señal recibida desde los ojos. Es necesario que exista una persona (o animal con visión cromática) para que exista el color. Esto explica enfermedades como el daltonismo o la acromatopsia, por no hablar trastornos como la micropsia, también conocida como "Sindrome de Alicia en el país de las maravillas" .

Y ahora ya si que si, estamos en disposición de responder a la pregunta que da título a nuestro post de hoy...

Dispersión de Rayleigh y Mie

La dispersión de Rayleigh (en honor a Lord Rayleigh) es la dispersión de la luz visible o cualquier otra radiación electromagnética por partículas cuyo tamaño es mucho menor que la longitud de onda de los fotones dispersados. 

El sol, nos envía radiación electromagnética en multitud e longitudes de onda, que al llegar a nuestra atmósfera choca con las diferentes partículas del aire. Parte de la energía que transmiten los fotones se transfiere a estas partículas que vibran y emiten luz en todas las direcciones. Las ondas cortas (como hemos visto antes, las azules y las violetas) son las que tienen una mayor carga energética y, por tanto, mayor difusión. Como la luz blanca contiene más de azul que de violeta y, a lo demás, nuestros ojos son más perceptivos al azul, el color que percibimos de forma genérica en el cielo, es el azul.

En el amanecer y el atardecer, la luz solar no da de forma perpendicular, sino que tiene un mayor ángulo. Esto hace que la luz tenga que recorrer mucha más distancia a través de la atmósfera, lo cual hace que se pierdan las longitudes de onda cortas y permanezcan las largas. Por ese motivo prevalecen los colores rojizos. En este efecto también influye la cantidad de polvo que haya en la atmósfera.

La difusión de Mie es la dispersión de la luz visible o cualquier otra radiación electromagnética por partículas cuyo tamaño es mayuor que la longitud de onda de los fotones dispersados. 

Este fenómeno se aplica, de forma tradicional, a las nubes. Las partículas absorben una parte de la luz y reflejan el resto, como pequeños espejos. Aquí el color depende de la composición de la partícula. En el caso de las nubes, si son poco densas, tienden a reflejar todas las longitudes de onda. Pero si están muy cargadas de agua, este efecto se acentúa y favorece la aparición de colores grises. 

El que haya una gran cantidad de aerosoles en la atmósfera también provoca un acentuamiento de esta dispersión. La dispersión de Mie produce una mayor difusión de la partículas hacia delante o hacia el frente de ella. Conforme aumenta el tamaño de la partícula, la dispersión hacia enfrente también aumenta (el tamaño de la partícula directamente proporcional con la dispersión). Esta característica genera amaneceres más rojos que lo que serían solo por el efecto de la Dispersión de Rayleigh.

El efecto Mie domina la atmósfera de Marte. Su cielo no es azul sino de un plomizo rojo y amarillo. Carl Sagan describe la decepción de la prensa cuando mostraron las primeras fotos del cielo de Marte. Nada comparable a nuestro hermoso cielo azul.

Pd: Parte de la información aquí mostrada, ha sido modificada a partir del gran artículo sobre el Efecto Rayleigh y efecto Mie, publicado en Astromia.com, a quienes es de justicia darles las gracias.

Fdo.: Jose Enrique Carrera Portillo