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20 de septiembre de 2010

El azul del cielo no es como lo pintan

Sí, el azul del cielo, tema que aparece en todos los blogs de ciencia y en gran cantidad de libros divulgativos. El problema es que la cosa no es como lo pintan. A mí la famosa idea de que el cielo es azul por el esparcimiento* de Rayleigh debido a las moléculas de oxígeno y nitrógeno siempre me había satisfecho, pero un día en la asignatura de Óptica vi lo que eran los medios ópticamente densos y ópticamente diluidos.

Que un medio sea ópticamente denso u ópticamente diluido depende de dos cosas: la cantidad de moléculas que haya en un determinado espacio, y la longitud de onda de la luz (o de la radiación electromagnética de forma más general) que lo atraviese. Si hay menos de 10 moléculas en el espacio de un cubo de longitud de arista igual a la longitud de onda, es diluido; si la cantidad de moléculas en ese espacio es mayor de 1000, es denso; el resto son casos intermedios que no nos interesan. Como se ve fácilmente, un mismo medio puede ser diluido para una longitud de onda y denso para otra.

La cosa es sencilla. El esparcimiento de Rayleigh a la que se le suele atribuir el azul del cielo se da cuando el medio es diluido, cuando es denso, tenemos refracción (cambio de dirección debido a un cambio de velocidad en la luz). El problema está claro: las moléculas de los gases que componen aire son un medio ópticamente denso para las longitudes de onda de la luz visible, por lo que no puede haber esparcimiento.

Así, de un plumazo, todas mis ideas del azul del cielo se fueron al traste. Para darle la puntilla a mis conocimientos, el profesor remató "el azul del cielo no se debe a esparcimiento de Rayleigh por moléculas de nitrógeno y oxígeno".

Un par de compañeros y yo, no nos quisimos quedar con la duda, y tras hacer los cálculos varias veces y convencernos de que, efectivamente, el aire es ópticamente denso para la luz visible, le pedimos una tutoría. Al profesor se le vio contento cuando se la pedimos, pues estábamos en las primeras semanas del curso, y no era normal tener alumnos en su despacho. Luego cuando le explicamos nuestra duda, que era completamente irrelevante para la asignatura, su cara se tornó un poco decepción, o al menos esa impresión me dio.

Pero antes de seguir, habrá que entender cómo funciona el famoso esparcimiento de Rayleigh, que es algo muy simple: la luz, al encontrarse con moléculas o átomos, se desvía. Esa desviación es diferente para cada longitud de onda (para cada color, por tanto). En el cielo, de alguna forma, los rayos con longitud de onda en el azul se desvían más, y por eso los vemos llegando de cualquier lado (por eso el cielo se ve azul). El color amarillo que le vemos al Sol, por ejemplo, se desvía menos, y por eso no lo vemos en el resto del cielo.

Como ya hemos dicho, las moléculas que hay en el aire están demasiado juntas para que haya esparcimiento. Cuando un rayo se desvía, enseguida se encuentra con otra molécula que la vuelve a desviar, y las desviaciones "se cancelan", por lo que el rayo sigue en línea recta.

Después de tanta vuelta, la razón para el azul del cielo: la densidad del aire no es constante, tiene fluctuaciones. Es decir, el aire tiene una densidad media demasiado alta como para que haya esparcimiento, pero esas moléculas de más o de menos respecto a la media en cada punto, provocan el esparcimiento. Podríamos decir que la inmensa mayoría de las moléculas del aire funcionan como una especie de "fondo" que lo único que provoca es que la velocidad de la luz sea un poquito más baja que en el vacío, es como si no existieran, y las moléculas "extra" debidas a las fluctuaciones de densidad, que son muchas menos, provocan el esparcimiento de Rayleigh.

*Uso esparcimiento en lugar de dispersión, que es lo más habitual y lo que yo solía usar, porque al escribir el artículo descubrí que es lo recomendado por la RAC.

Gracias a Smaigol por pasarle la revisión al post por si mi memoria me había jugado una mala pasada.