lunes, 14 de junio de 2010

¿Por qué el cielo es azul?

¿Por qué el cielo es azul? Ésta es una de esas preguntas engañosamente simples que hacen los niños. Como pasa con muchas preguntas ingenuas, no hay una respuesta sencilla. En primer lugar, la pregunta presupone que el cielo tiene un color uniforme, y que ese color es su única característica importante. Si se ha mirado el cielo con atención, se sabrá que en un día despejado su color y su brillo varían desde el cenit hasta el horizonte. Cuando el Sol está bajo, el cielo es más azul y menos brillante en el cenit. A medida que el Sol va subiendo, el cenit poco a poco deja de ser la parte mis azul. Cerca del horizonte y alrededor del Sol, el cielo es más brillante y menos azul. En realidad, en el horizonte cl cielo varía desde gris claro hasta blanco, y no es nunca azul. El brillo sin color alrededor del Sol, conocido como aureola, no está presente cuando el aire es excepcionalmente limpio, como en las zonas polares.

Es difícil decir cuándo empezó la gente a hacerse preguntas acerca del color del cielo. En parte les habría limitado su desconocimiento sobre la relación entre color y luz. Hasta el final del siglo XVII, cuando Newton demostró que la luz del Sol está compuesta por varios colores, y que un objeto adquiere su color de la luz que lo ilumina, se consideraba el color como una propiedad intrínseca de los objetos mismos y que la luz del Sol sólo servía para iluminar lo que ya estaba allí. No obstante, unos 200 años antes de Newton, Leonardo da Vinci atrajo la atención sobre el hecho de que un trozo de vidrio azul parece más azul si es más grueso. Sugirió que si el color intrínseco de la atmósfera fuera el azul, entonces el cielo debería parecer más azul en el horizonte. Dado que este no es el caso, concluyó que los colores del cielo se debían a otros factores. Él apoyaba la hipótesis de las partículas de humedad en la atmósfera. El propio Newton creíaa que el color del cielo se podía explicar de la misma forma que los colores que se pueden ver en una película delgada de aceite. Estos colores se deben a la interferencia destructiva y constructiva de la luz.

La primera persona que estudió sistemáticamente el color del cielo fue Horace de Saussure. Inventó el cianómetro para guardar un registro de cambios del color del cielo día a día y en diferentes localidades. Saussure creía que la atmósfera no tenía un color por sí misma, y que los colores del cielo se debían a vapores.

La explicación correcta de los colores del cielo surgió finalmente hacia el final del siglo XIX como consecuencia de unos experimentos realizados por un físico irlandés, John Tyndall. Tyndall emprendió una extensa investigación acerca de las circunstancias en las que se forman colores azulados cuando un rayo de luz blanca pasa a través de un medio compuesto por partículas muy pequeñas.

Solemos asociar el color a los pigmentos. Un pigmento es cualquier sustancia que altera la apariencia de un rayo de luz al absorber algunos colores y reflejar otros. Las pinturas son pigmentos. Pero el aire no. En este sentido, el aire es prácticamente incoloro. Todos los colores que vemos en el cielo a la luz del día, desde el azul del mediodía hasta los matices rosados de la puesta de Sol, se deben al esparcimiento selectivo de la luz por parte de las moléculas de aquellos gases que constituyen la atmósfera.

En el vacío, un rayo de luz es invisible a menos que incida directamente en el ojo. Pero si este rayo encuentra una partícula muy pequeña, una fracción de su luz se propaga, o es esparcida, en todas las direcciones. Si el rayo brilla lo suficiente, y si el medio a través del cual pasa contiene una alta concentración de partículas pequeñas, se ve un poco de su luz sin tener que mirar directamente hacia la fuente emisora. Si las partículas son muy pequeñas, como sucede con las moléculas, el grado de esparcimiento depende de la longitud de onda de la luz: cuanto más corta sea la longitud de onda, mayor resulta el grado de esparcimiento. Esta forma de esparcimiento se conoce como esparcimiento selectivo. Esto es lo que Tyndall estaba investigando, aunque en sus tiempos se llamaba esparcimiento Tyndall de la luz.

La explicación correcta del esparcimiento selectivo fue dada por un físico inglés, John Strutt, al final del siglo XIX. (Strutt heredó el título de Lord Rayleigh de su padre, de modo que el esparcimiento selectivo se conoce también como esparcimiento Rayleigh.) Demostró que el esparcimiento selectivo se da sólo cuando la luz encuentra partículas mucho más pequeñas que la longitud de onda. Una molécula de gas es más de mil veces menor que la longitud de onda de la luz, y ésta es la razón por la que sucede el esparcimiento selectivo en la atmósfera.

Strutt demostró además que el grado en que son esparcidas las longitudes de onda más cortas por partículas muy pequeñas es unas 10 veces mayor que el de las longitudes de onda más largas. Por ello el color de la luz del Sol esparcida se sesga fuertemente a favor del extremo azul del espectro. Percibimos las longitudes de onda más cortas como los colores violeta y azul y las más largas corresponden al color rojo. En realidad, en torno al 40 por 100 de la luz que procede de la parte más azul del cielo se compone de las longitudes de onda más cortas. La presencia de longitudes de onda mayores en la luz solar esparcida hace que el cielo parezca menos azul de lo que podría ser si solamente sufrieran esparcimiento las longitudes de onda cortas. Sucede que, aunque el violeta tenga una longitud de onda más corta que el azul, el ciclo no parece violeta porque hay más azul que violeta en la luz solar. Además, los ojos son más sensibles al azul que al violeta, de tal forma que una luz violeta parece menos brillante que una luz azul de la misma intensidad.

Las moléculas esparcen la luz muy débilmente, lo que significa que la cantidad de luz esparcida por cada molécula es mínima. Por lo tanto, a pesar del gran número de moléculas que constituyen la atmósfera, la cantidad total de luz del Sol esparcida en la atmósfera es pequeña comparada con la cantidad total de luz que llega a la Tierra desde el Sol. La luz esparcida parece mucho más brillante e intensa de lo que es en realidad porque la vemos contra el fondo oscuro del vatio que queda más allá de la atmósfera. Todo el cielo que se encuentra justo al nivel del horizonte se ve muy luminoso porque casi todas las moléculas esparcen algo de luz hacia el suelo.

La disminución de la intensidad del color azul a medida que nos acercamos al horizonte se debe al esparcimiento múltiple, luz esparcida que se esparce a su vez cuando encuentra más moléculas. La luz procedente del cenit encuentra menos moléculas en su camino a través de la atmósfera que la luz que llega desde el horizonte, porque la cantidad de atmósfera en esa dirección es varias veces menor que la cantidad en dirección del horizonte. La luz del cenit, por lo tanto, parece más azulada porque conserva una proporción mayor de longitudes de onda cortas que la luz procedente del horizonte. Por otro lado, la luz esparcida desde el horizonte, al estar más lejos, encuentra muchas más moléculas, de forma que la parte azul de la luz que procede del horizonte se atenúa porque sufre un mayor esparcimiento que la parte roja.

Se podría esperar que esto hiciera que los objetos lejanos parecieran más rojos de lo que son en realidad. La razón por la que el horizonte parece blanco en circunstancias normales estriba en que el aire que está entre nosotros y el horizonte introduce en la línea visual cierta cantidad de luz azul. La combinación de longitudes de onda largas que vienen del horizonte lejano y las cortas del horizonte cercano es la causa de que el horizonte se vea blanco. El predominio de longitudes de onda largas frente a otras cortas en la luz procedente del horizonte lejano se hace evidente durante un eclipse solar total, momento en que el horizonte se torna anaranjado. Durante la fase de totalidad, cuando nos hallamos bajo la sombra de la Luna, la atmósfera que se encuentra inmediatamente alrededor de nosotros no está iluminada por el Sol, y por lo tanto no recibimos suficiente luz azul esparcida como para hacer que el lejano horizonte rosado se muestre de color blanco.

Que el horizonte aparezca mis brillante que el cenit se debe también a que en dirección al horizonte hay una cantidad mayor de aire. Se esparce mucha más luz desde el horizonte que desde cualquier otra parte del cielo, puesto que se encuentran muchas más moléculas en esa dirección que en cualquier otra. Por lo tanto, incluso en ausencia de partículas submicroscópicas como las que generan la neblina, la atmósfera siempre es más luminosa en la dirección del horizonte. Por el contrario, la parte menos brillante del cielo es el cenit, dado que la cantidad de atmósfera en esta dirección es menor que en cualquier otra.

Visto desde un avión, o desde la cima de una montaña elevada, el cenit es sensiblemente más azul, aunque mucho menos brillante, que desde el nivel del mar. Se hace menos brillante a medida que aumenta la altitud, hasta que alcanzamos el borde de la atmósfera, lugar en que el cielo se toma completamente oscuro. De hecho, un avión es el mejor lugar para observar la variación en el color y en el brillo de un cielo despejado. Un buen entretenimiento para la próxima vez que haya que tomar un avión podría ser mirar por la ventanilla y comparar el horizonte con el cenit.

Tanto el color como el brillo de un cielo despejado dependen de la densidad de la atmósfera. Si la atmósfera de la Tierra fuera más densa de lo que es en realidad, contendría muchas más moléculas por unidad de volumen. En estas circunstancias incluso la luz procedente del cenit se esparciría repetidas veces. En una atmósfera de este tipo el cenit se parecería al horizonte: es decir, serla a la vez brillante y blanco. Si la atmósfera fuera menos densa, el cenit se mostraría oscuro y apagado, mientras que el horizonte seria azul. Ninguna de estas alternativas parece muy atractiva, y uno no puede evitar sentir que nuestra verdadera atmósfera ofrece un agradable equilibrio entre color y brillo.