El color del cielo y el fenómeno de la Luna Azul

¿Qué es la luz? A lo largo de la historia de la Humanidad, ha habido diferentes teorías que intentaban responder a esta pregunta, como la de Platón: la luz sale de los ojos, o la del éter, una sustancia con una densidad extremadamente baja que permitía la propagación de la luz.

Éter: la sustancia que se creía que impregnaba el espacio y que permitía la propagación de la luz y que, además, afectaba a la velocidad de traslación del planeta

En el siglo XX se descartó  la teoría del éter, pero los problemas sobre la naturaleza de la luz seguían. ¿Era la luz una onda o era una partícula? El físico Huygens decía que era una onda. Newton, que era una partícula… Ahora te pregunto: ¿qué es la luz?

1. Si has respondido que es una onda, tu respuesta es correcta… al 50%

2. Si has respondido que es una partícula, tu respuesta también es correcta. Este es el otro 50%

La respuesta correcta es: ambas. A este fenómeno se le llama dualidad onda-partícula u onda-corpúsculo. Suena extraño, pero es así. Si diseñas  un experimento para medir las propiedades de onda de la luz, los obtendrás (como los patrones de interferencia o el fenómeno de dispersión en un prisma). Sin embargo, si diseñas un experimento para medir las propiedades de partículas, partículas será lo que obtendrás.

En cualquier caso, resumamos qué es la luz así: la luz es una radiación electromagnética. 

La luz es una onda electromagnética: una onda en la que se propaga un campo magnético y un campo eléctrico

Hay muchos otros tipos de radiaciones electromagnéticas, como los energéticos rayos cósmicos o las ondas de radio. Toda esta familia de radiaciones vive en el mismo hogar: se encuentra reunida en el espectro electromagnético.

La luz es una pequeña fracción de este espectro, y representa la radiación que podemos captar con nuestra visión. Aquí están incluidos todos los colores. He aquí algo importante: la luz, la luz blanca en concreto, es en realidad la suma de todos los colores. Esto se ve fácilmente con un simple experimento que se suele hacer en el colegio: divide una ruleta en los diferentes colores del arcoíris. Cuando la gires, verás que da lugar a la luz blanca:

Hay otros experimentos que hacen lo contrario: separar la luz blanca en los colores del arcoíris, como sucede en un prisma. A este fenómeno se llama dispersión, y se produce porque, cuando la luz entra en un material, debido a las diferentes longitudes de onda de los colores, unos tienen una velocidad mayor que el de otros. El color rojo es el que tiene mayor longitud de onda y, por lo tanto, el que atraviesa el prisma a mayor velocidad. Como va tan rápido, apenas es curvado. Es decir, el color rojo es el que menos se desvía. El violeta es el que va más lento dentro del vidrio. Es, por lo tanto, el que más se desvía.

Prisma óptico

¿Y cómo es posible el color de los objetos? ¿Cómo puede ser de color rojo, azul o amarillo, la camiseta que llevo? Un objeto es de un color determinado cuando absorbe todos los colores menos ese, al cual refleja.

Las moléculas de clorofila de las hojas absorben todos los colores (los picos de la gráfica) menos los verdes y amarillos, que son los que reflejan. Por eso las hojas se ven así

Cuando tenemos, por ejemplo, una camiseta roja, lo que en realidad ocurre es que ésta absorbe todos los colores menos el rojo. El rojo lo refleja, y por eso lo vemos así.

El tomate, de color rojo, sólo refleja este color

Una camiseta blanca, por ejemplo, es aquella que en realidad refleja todos los colores, y una negra es aquella que los absorbe todos. En realidad no existe un cuerpo 100% negro; es decir, uno que absorba el 100% de la radiación que le llega. El material más negro que conocemos se llama “vantablack” y absorbe el 99,965% de la radiación.

Material negro (izquierda) comparado con el Vantablack (derecha)

La luz que nos viene del Sol en realidad es una luz blanca; es decir, contiene todos los colores. 

La luz del Sol es blanca

Entonces, ¿cómo es posible que veamos el cielo, por ejemplo, azul? La atmósfera de la Tierra está formada por un 78% N₂ (nitrógeno), un 21% O₂ (oxígeno) y un 1% de otros gases (dióxido de carbono, argón, vapor de agua…). 

Gráfica de la composición de la atmósfera

Estas partículas son más pequeñas que la longitud de onda de la luz. Por lo tanto, entra en juego la Dispersión Rayleigh. Esta ley nos dice que la dispersión de la luz es inversamente proporcional a la cuarta potencia de la longitud de onda; es decir, que cuanto mayor sea la longitud de onda del color, menos se dispersa (y viceversa). El violeta y el azul son los dos colores con la longitud de onda más corta y son, por lo tanto, los que más se dispersan

La dispersión es mayor cuanto menor es la longitud de onda (a medida que la gráfica va hacia la izquierda)

Matemáticamente:

$$I α \frac{1}{λ^4}$$

¿Qué significa esto exactamente? Que los colores como el amarillo del Sol nos llegan prácticamente de forma directa, no se pierden por la atmósfera. Sin embargo, el color azul y el violenta, en su camino desde el Sol hasta nuestros ojos, van chocando continuamente con todas las partículas de la atmósfera. 

Mientras los demás colores atraviesan la atmósfera casi sin desviarse, en línea recta, el color azul se dispersa

El color azul no nos llega directamente, sino que ha recorrido la atmósfera en zigzag, por lo que se ha expandido por todo el cielo. Por ello lo vemos de este color (el violeta se dispersa más, pero nuestro ojo es mucho más sensible al azul que al violeta, por lo que a éste último apenas lo percibimos).

A esto se debe que si nos fijamos en el cielo cercano al Sol, es de un azul más clarito que en otra zona más lejana (pues en las zonas cercanas se encuentran también los otros colores, cuya suma es blanco). En el horizonte también se ve más claro, pero se debe a la luz que refleja la tierra.

El color azul es más oscuro a medida que nos alejamos del Sol

Si las partículas de la atmósfera son bastante más grandes que la longitud de onda, la luz al llegar a ellas no se dispersa, todos los colores se comportan de la misma manera. La luz es, por lo tanto, blanca. Esto es lo que ocurre con las nubes, formadas por grandes aglomeraciones de gotas de vapor de agua. Es decir, el color blanco que nos llega al mirar a las nubes es en realidad el color azul, el rojo, el verde, etc., que nos llegan simultáneamente.

Cuanta mayor sea esta aglomeración de gotitas (mayor densidad), menos luz podrá atravesarla y, por lo tanto, más oscura será la nube. Las nubes de tormentas, hasta los topes de gotas de agua, se ven de color negruzco por esta razón. Sin embargo, vistas desde arriba (desde la Estación Espacial Internacional, o desde un avión, por ejemplo), siguen siendo blancas.

Tifón Neuguri, en su camino hacia Japón, visto desde la ISS

Al atardecer, por el contrario, la luz del Sol debe atravesar más atmósfera. Esto es un peligro añadido para el color del cielo, puesto que ya no sólo hay que tener en cuenta las partículas de nitrógeno y oxígeno, sino otras como polvo debido a contaminación, por ejemplo, que son del mismo tamaño que la longitud de onda. En este caso, todos los colores se dispersan, como ocurre en un prisma. Sin embargo, unos se dispersan más que otros. 

El color violeta y el azul son los que tienen la longitud de onda más corta y por ello se dispersan mucho. Se dispersan tanto, que estos colores se pierden. El color rojo y el amarillo son los que tienen mayor longitud de onda y son, por lo tanto, los que menos se dispersan. Por ello, vemos los atardeceres impregnados de estos colores. Y cuanta mayor contaminación haya, podremos disfrutar de atardeceres más bonitos.

El observador 2 está presenciando un atardecer 

Hay otro fenómeno interesante, el de la Luna azul, que se da aproximadamente cada tres años. El siguiente: mañana mismo, viernes 31 de julio, y no se volverá a ver hasta el 2018. Hace referencia a la segunda luna llena en un mismo mes. 
Sin embargo, también puede tener un significado literal: una luna de color azul. Éste es un fenómeno raro, pues en la atmósfera ha de haber partículas del mismo tamaña concreto, y sucede, por ejemplo, cuando ha ocurrido una erupción volcánica o un importante incendio. En este caso, son los colores rojo y amarillo los que se dispersan y es el azul el que más directamente nos llega (lo contrario que ocurre con la Dispersión Rayleigh durante el día). Por ello,  la Luna se ve de color azul.