- Cuando la luz choca con las moléculas de nitrógeno y oxígeno en la atmósfera y se dispersa, la luz azul, de longitud de onda corta, se dispersa mucho más que los demás colores
- Este fenómeno está relacionado con la frecuencia de resonancia de la nube electrónica de las moléculas, y es el resultado de la dispersión de Rayleigh, donde la dispersión se intensifica cuanto más corta es la longitud de onda
- La luz violeta se dispersa aún más, pero el ojo humano es menos sensible a ella y una parte es absorbida por la capa de ozono, por eso el cielo se ve azul
- Durante el amanecer y el atardecer, la luz atraviesa más atmósfera, por lo que casi toda la luz azul se dispersa y desaparece, y solo queda la luz roja, haciendo que el cielo se vea rojizo
- Este principio explica las diferencias en el color de la atmósfera de planetas como la Tierra, Marte y Júpiter, y según el tamaño de las partículas se divide en dispersión de Rayleigh, Mie y geométrica
Principios básicos de la luz y el color
- El color de los objetos está determinado por la combinación de longitudes de onda de los fotones que entran en los ojos
- En la mayoría de los casos, entra una mezcla de luz de varias longitudes de onda y el cerebro la percibe como un solo color
- Por ejemplo, el turquesa puede percibirse como una sola longitud de onda cercana a 500nm o como una combinación de 470nm y 540nm
- Cuando la luz solar llega a la atmósfera, la mayoría de los colores la atraviesan, pero los fotones de luz azul se dispersan en muchas direcciones y se esparcen por todo el cielo
- Por eso, en un día despejado, sin importar hacia dónde mires, entra luz azul en tus ojos
Por qué la luz azul es especial
- La luz azul y la violeta son las más cercanas a la frecuencia de resonancia de la nube electrónica de las moléculas de nitrógeno (N₂) y oxígeno (O₂)
- Cuando un fotón pasa cerca de una molécula, la nube electrónica vibra a la misma frecuencia, y mientras más cerca esté de la resonancia, mayor será la amplitud
- Cuanto más intensa es la vibración, mayor es la probabilidad de que el fotón se disperse en lugar de seguir en línea recta
- La intensidad de la dispersión es proporcional a la cuarta potencia de la frecuencia, por lo que es mucho mayor en frecuencias altas (longitudes de onda cortas)
- La luz violeta se dispersa unas 10 veces más que la roja
- Sin embargo, el cielo no se ve violeta porque el ojo humano tiene baja sensibilidad al violeta y parte de la radiación ultravioleta es absorbida por la capa de ozono
El cielo rojo del amanecer y el atardecer
- Cuando el Sol está bajo, la luz recorre una trayectoria atmosférica unas 40 veces más larga
- En ese proceso, la mayor parte de la luz azul y verde se dispersa y desaparece, y solo queda la luz roja, que se dispersa menos
- Por eso el cielo se ve rojizo al amanecer y al atardecer
Por qué las nubes son blancas
- Las nubes están formadas por gotitas de agua de aproximadamente 0.02mm, mucho más grandes que las moléculas
- Cada gotita refleja y refracta la luz de todas las longitudes de onda en muchas direcciones, como un prisma
- Como billones de gotitas dispersan todos los colores, las nubes se ven blancas o grises
- Este principio también se aplica a partículas más grandes como la lluvia, la nieve y el granizo, que también tienden a verse blancas
El cielo rojo de Marte y sus atardeceres azules
- En la atmósfera de Marte hay mucho polvo fino rico en hierro, que absorbe la luz azul y dispersa la luz roja
- Las partículas sólidas absorben luz de varias longitudes de onda y, en particular, absorben con fuerza la región violeta y ultravioleta
- Esto se debe a que los electrones de las moléculas del polvo pueden excitarse por fotones de alta energía, como los de la zona violeta y ultravioleta
- En cambio, en el atardecer marciano, el polvo dispersa hacia adelante la luz azul, por lo que la zona alrededor del Sol se ve azulada
- La luz roja se dispersa en ángulos mayores y se extiende por el cielo circundante, mientras que la azul se concentra cerca del Sol
Tres principios del color en las atmósferas planetarias
- Moléculas de gas pequeñas → atmósferas azules o cian
- Ejemplo: la Tierra (nitrógeno y oxígeno), Urano y Neptuno (hidrógeno y helio)
- El azul intenso de Neptuno y Urano se debe a que el metano absorbe la luz roja
- Polvo y bruma → atmósferas rojas, naranjas o amarillas
- Ejemplo: Marte (polvo de óxido de hierro), Titán (bruma orgánica), Venus (bruma rica en azufre)
- Nubes → atmósferas blancas o grises
- Ejemplo: la Tierra (gotitas de agua), Venus (nubes de ácido sulfúrico), Marte (nubes de hielo de agua)
Predicción y verificación de la atmósfera de Júpiter
- Si se predice el color de la atmósfera de Júpiter con un modelo simple:
- Regiones rojas: no son polvo, ya que no existe un núcleo líquido, sino bruma química
- Regiones blancas: nubes de hielo de amoníaco
- Regiones azul grisáceas: dispersión de las moléculas de hidrógeno y helio
- Los resultados observados por la sonda Galileo coincidieron con esto y confirmaron capas secas de hidrógeno y helio entre las nubes
Tres tipos de dispersión
- Dispersión de Rayleigh: cuando las partículas son mucho más pequeñas que la longitud de onda, predominan las longitudes de onda cortas (luz azul)
- Dispersión de Mie: cuando el tamaño de la partícula es similar a la longitud de onda; corresponde al polvo y la bruma y tiene una fuerte direccionalidad
- Dispersión geométrica: cuando las partículas son mucho más grandes que la longitud de onda; las nubes y los cristales de hielo reflejan todos los colores
- La proporción relativa entre el tamaño de la partícula y la longitud de onda determina el tipo de dispersión
- Si se usan longitudes de onda más largas, la dispersión disminuye, por eso las cámaras infrarrojas pueden ver a través del humo
Conclusión
- El color del cielo puede explicarse por la relación entre el tamaño de las partículas y la longitud de onda de la luz
- El cielo azul de la Tierra, el cielo rojo de Marte y el cielo amarillo de Venus se basan en el mismo principio de dispersión
- Comprender la dispersión de Rayleigh, Mie y geométrica es clave para el modelado de atmósferas planetarias y las tecnologías ópticas
1 comentarios
Opiniones de Hacker News
Me impresionó la anécdota del examen oral de tesis doctoral que aparece en The Cuckoo’s Egg de Cliff Stoll
Un profesor hizo la simple pregunta: “¿Por qué el cielo es azul?”, y esa pregunta terminó expandiéndose hasta una exploración profunda que llegaba incluso a la mecánica cuántica
Las personas con daltonismo (en especial tritanopia) no pueden percibir el azul en absoluto. En ese sentido, la percepción del color depende no solo de los fenómenos físicos, sino también de la fisiología y el lenguaje humanos
Por ejemplo, con la pregunta “¿Cómo funciona Java?” se puede profundizar desde la interpretación de bytecode en la JVM hacia abajo
También fue interesante que la mayoría de las mariposas azules en realidad se ven azules no por pigmento, sino por la reflexión estructural de la luz
Las microcrestas de la superficie de sus alas reflejan ciertas longitudes de onda y producen el color azul; si se mojan o cambia el ángulo, ese color desaparece
O quizá los humanos antiguamente pudieron recolectar mariposas azules para usarlas como pigmento, como con el Tyrian purple
Por cierto, los ojos azules tampoco tienen pigmento y se ven azules por dispersión de Rayleigh
También fue interesante la discusión sobre el uso gramatical de la palabra “Scattering”
En inglés, un labile verb puede usarse tanto como transitivo como intransitivo, y “scatter” es un ejemplo
Intransitive: Blue light scatters / Transitive: Molecules scatter blue light
Si se quisiera explicar de forma simple la pregunta “por qué el cielo es azul”, se podría decir que es porque el aire es azul
De cerca parece transparente, pero al atravesar una cantidad suficiente de aire aparece el tono azul. Es como el agua turbia, que en poca cantidad puede verse clara
Por eso quizá sería más preciso decir “una transparencia con tono azulado”
Si en el espacio iluminaras una columna de aire con luz blanca, esa luz se vería azul
También fue interesante la pregunta de por qué al atardecer el cielo no se ve verde
Por eso cambia de rojo → naranja/amarillo → turquesa tenue → azul oscuro
Si se intenta interpolar el color en RGB, el tono intermedio se ve como marrón, y eso se acerca más al modelo físico real
La razón por la que un póster junto a la ventana se decolora hacia azul con el tiempo también sigue el mismo principio
Los pigmentos amarillos y rojos absorben luz azul y ultravioleta, sus enlaces moleculares se rompen y el azul que queda relativamente persiste por más tiempo
Si quieres implementar directamente la idea de “por qué el cielo es azul”, una buena opción es crear un atmospheric shader con three.js
Permite entender visualmente la dispersión de la luz, la posición del observador y la composición de la atmósfera, y además al final se obtiene un efecto visual muy bueno
Más que una explicación simple, el código que realmente genera imágenes muestra el principio con mucha más claridad
Este nivel de pasión científica es realmente genial
Ojalá más gente sintiera este tipo de interés por las áreas STEM. Son precisamente el núcleo que sostiene la civilización moderna
La razón por la que el sol se ve amarillo cuando está alto es que, al atravesar la atmósfera, parte de las longitudes de onda cortas se dispersan y la luz restante se ve amarilla
También hubo un comentario de broma diciendo que el cielo es azul porque hay muchos “DemocRats”, pero no tiene relación con la discusión científica