Los colores del otoño: cuando menos es más

05/11/2014 0 comentarios
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La llegada del otoño podría interpretarse como el inicio de un período gris y de menor actividad. Pero también puede verse como una explosión de matices cromáticos, que curiosamente provienen de una menor luz ambiental.

Los apasionados de la naturaleza nos contamos por millones, quizás por miles de millones. Parte de la irresistible atracción que sentimos hacia este mundo natural proviene, sin duda, de las sensaciones cromáticas que nos transmite. Los colores del medio natural impresionan vivamente nuestro arsenal de recuerdos, y direccionan nuestra conducta emocional hacia el medio ambiente.

Las estaciones de cambio, primavera y otoño, expresan su evolución a través de una transformación cromática inimitable. De hecho, sólo la corriente artística hiperrealista es capaz de acercarse, a la excelsa exposición de tonos e intensidades a la que nos referimos.

Aun así, parecería a primera vista que el otoño representa un cambio empobrecedor, un tránsito hacia los oscuros grises del invierno. Aunque pueda ser ese el resultado final, lo cierto es que no es necesario el vigor primaveral para disfrutar de un nuevo colorido. La disminución otoñal de temperatura y luz se convierte, sorprendentemente, en una manifestación sutil e insospechada de nuevos colores.

Los aficionados a la fotografía conocen bien el tema; de ellos he aprendido a saborear la importancia del matiz, a esclarecer detalles escondidos gracias a una luz ambiental más tenue que la del tórrido verano. Fue precisamente una reciente conversación con Juan Carlos Díaz, maestro de la red, investigador de lo incógnito y contumaz fotógrafo, cuando entendí que un análisis de la luz otoñal y sus manifestaciones, en términos más fundamentales, podía ser apreciado por los amantes del mundo natural.

Veamos algunos ejemplos, que ilustran la riqueza cromática del otoño.

Menos luz ambiental, por la altura del Sol.

Los veranos cálidos, y los inviernos fríos, no se deben a que en verano el Sol esté más cerca, y en invierno más lejos, como yo me imaginaba de niño. En el hemisferio norte, la situación es la contraria, puesto que en verano la Tierra está más lejos del Sol que en invierno.

Lo que realmente causa el régimen de temperaturas estacional es la inclinación de nuestro hemisferio respecto del astro rey. Visto desde la Tierra, apreciamos la orientación de nuestro hemisferio como la altura del Sol respecto del horizonte. Es en verano cuando nuestra estrella se encuentra a mayor altura, cuando es más vertical y cuando las sombras son más cortas. A medida que dejamos atrás el verano, la altura del Sol va disminuyendo gradualmente. Este detalle es el que explica por qué la cantidad de luz ambiental es menor, y por qué el Sol "calienta menos".

A su vez, la caída del Sol se debe al eje de rotación de nuestro planeta, la Tierra, que está inclinado respecto su órbita alrededor del Sol. Es lo que provoca la existencia de estaciones, y la duración variable del día y la noche, a lo largo del año.

Comprender esta situación física no es fácil, puesto que requiere una cierta capacidad geométrica y una visión espacial entrenada. Quizás ayude imaginar una peonza girando rápidamente sobre sí, pero inclinada respecto del suelo. Esta inclinación refleja entonces lo que os decía sobre el eje de rotación de la Tierra.

Si, además, visualizamos la peonza desplazándose alrededor de una bombilla encendida, estaremos simulando la trayectoria de la Tierra alrededor del Sol. El viaje de la peonza debe ser tal que su eje inclinado no cambie, al trasladarse alrededor de la luz. Este hecho provoca que si en un punto de la órbita la parte superior de la peonza apunta hacia la bombilla, en el punto diametralmente opuesto esa misma parte superior se aleje de la bombilla. No es difícil comprobar entonces que el área iluminada, en ese mismo hemisferio norte de la peonza, es mayor o menor según si la peonza apunta hacia la bombilla, o se aleja de ésta, respectivamente.

Los cielos en la puesta son rojizos, por la dispersión Rayleigh.

La menor altura del Sol es una de las causas por las que los cielos rojizos son más frecuentes en otoño. Otra, que el tiempo es más ventoso y revuelto. Veamos la explicación.

A medida que avanza el otoño, y especialmente cuando el Sol se acerca al horizonte en la puesta, los rayos de luz deben atravesar una mayor distancia, dentro de la atmósfera, para llegar hasta nosotros.

No es difícil ver esto. Cuando el Sol está a mayor altura, es mediodía y los rayos de luz deben recorrer entre 50 y 60 kilómetros, dentro de la atmósfera, para llegar hasta nosotros. Cuanto menor es la altura del Sol, mayor es el recorrido, que puede llegar a los 500 kilómetros, en el momento de la puesta.

El otoño añade, además, los frecuentes cambios de tiempo. Los dos hechos se conjuran entonces para que sea sólo la componente roja de la luz la que llega a nuestros ojos, en su viaje a través de la atmósfera. En cambio, las componentes amarilla, verde, azul o violeta son dispersadas por el aire, tanto más cuanto más nos acercamos al violeta.

La dispersión ocurre, más precisamente, por los gases que componen la atmósfera, así como por las pequeñas partículas sólidas que el aire es capaz de sustentar en su seno. Estas partículas son lo que comúnmente denominamos polvo, levantado por la ventisca que, a su vez, se produce bajo los cambios de presión típicos de otoño.

Fue el científico John Strutt, Lord Rayleigh, quien a finales del siglo XIX atinó con esta explicación para los espectaculares atardeceres otoñales, y para el color azul del cielo. Los atardeceres son rojizos porque vemos la luz que no ha sido dispersada, mientras que el cielo es azul porque vemos la luz que más se dispersa.

Cierto, el cielo es uniformemente azul... y no violeta. En cambio, querido lector, he afirmado tres párrafos más arriba, como aquel que no quiere la cosa, que la luz más dispersada es la violeta... ¿por qué el cielo es azul, y no violeta?

La respuesta es que la componente violeta, de la luz que nos llega del Sol, es menos intensa que la azul. Por ello, esta luz azul es la componente dominante, de la luz que nos llega de cualquier dirección, desde el cielo.

Las hojas caducas explotan en un festival de color, por la menor cantidad de luz.

Si algo identifica el otoño, es el esperado cambio en la tonalidad de las hojas, de tantos y tantos árboles de hoja caduca. El brillante verde estival torna hacia coloraciones amarillas, marrones, violáceas o púrpura, signo del inicio de una menor actividad vegetal.

Los vivos colores marrones identifican el cese de la fotosíntesis.

Curiosamente, la transición hacia esta diversidad cromática la causa la menor cantidad de luz ambiental, ya comentada. Esta disminución de energía lumínica inhibe la fabricación de clorofila, el pigmento verde de las hojas y elemento vital en la fotosíntesis.

Una menor cantidad de clorofila, sustancia dominante, permite que el color asociado a los demás pigmentos pueda destacar ahora. Es decir, estos compuestos ya estaban presentes en primavera y verano, pero ocultos bajo el dominio de la omnipresente clorofila.

El color de las hojas resulta, pues, de una competición. En primavera y verano la partida la gana la clorofila y las hojas son verdes, mientras que en otoño el enfrentamiento cae del lado de los demás pigmentos. En invierno... no gana nadie puesto que las hojas caen.

Se pueden comentar algunos detalles más. El conjunto de pigmentos que fabrica una determinada planta depende de su carga genética. Por lo tanto, según la especie vegetal, sus células fabrican carotenos, dando lugar a vivas coloraciones amarillas, naranjas o rojas; flavonas, responsables del blanco o amarillo pálido; betalaínas, que son púrpura; o taninos, que son principalmente marrones.

Además, según la especie vegetal, así como el nivel de actividad durante el verano, cada tipo de hoja sintetiza en otoño otros pigmentos, como las antocianinas, que son púrpura, rosa o azul.

Las mejores condiciones, para que los pigmentos vegetales muestren su potencia cromática, son otoños secos y no muy fríos. De ahí que la costa este de América del Norte, y el Mediterráneo, disfruten de los climas idóneos.

Las nubes son más oscuras, por la menor temperatura del aire.

Las nubes otoñales de tormenta las identificamos fácilmente. Crecen con rapidez, sobre todo verticalmente, y son más oscuras. Estos fenómenos se deben a una temperatura, del agua que alimenta la nube, todavía elevada, junto con un aire superior que ya es bastante más frío.

En estas condiciones, la condensación del vapor de agua es muy superior, y los cristales de hielo predominan más que las gotas de agua líquida en suspensión. Por ello, las nubes son más opacas al paso de la luz, y la parte inferior de aquéllas, que es la que vemos y sentimos tan amenazante, aparece mucho más oscura.

El arcoíris es más frecuente, por la altura del Sol y el tiempo variable.

He dejado para el final la descripción de uno de los fenómenos naturales más espectaculares, y que más me han intrigado desde siempre, el arcoíris.

Arcoíris primario y secundario

No creo que exista ser vivo inteligente que no quede fascinado por su presencia. ¿Cuál es su origen? ¿Por qué aparecen los diferentes colores? ¿Por qué tiene forma de arco? Sabemos por experiencia que tienen que coincidir la lluvia con la luz solar... ¿por qué? Nos dicen que son las gotas de agua las responsables del arco... entonces, ¿por qué solo vemos un arco? En fin, supongo que todos nos hemos hecho preguntas de este tipo, y muchas más.

Si el fenómeno natural ya es sorprendente, más lo es el grado de conocimiento que se tiene sobre el origen del arcoíris. De hecho, algunas de las técnicas matemáticas más avanzadas se desarrollaron, precisamente para explicar la compleja fenomenología que esconde... aunque no os preocupéis, que lo de las matemáticas lo dejaremos de lado...

En otoño se dan las condiciones óptimas para la aparición del arcoíris. La combinación de un Sol más bajo en el horizonte, junto con un tiempo mucho más variable, facilitan las tormentas con cielo parcialmente cubierto, y la presencia del majestuoso arco multicolor.

Region de Alejandro, entre los arcos primario y secundario, que aparece más oscura, debido a que prácticamente no emergen rayos del interior de las gotas, al intervalo de ángulos comprendido entre 42 y 50 grados.

El arcoíris es un fenómeno óptico, lo que quiere decir que es un efecto de la luz y, por tanto, no se trata de un objeto material. Diferentes personas, situadas en puntos diferentes, ven arcoíris diferentes, y si nos movemos el arco se mueve con nosotros. Bien, en realidad no se mueve, sino que vemos el arco procedente de gotas de agua diferentes, a medida que nos movemos... puesto que la referencia para determinar dónde "está" el arcoíris somos nosotros, los observadores.

Veamos con un poco más de detalle el origen del fenómeno. Cuando la luz del Sol entra en una gota de agua, se desvía ligeramente, rebota contra la cara opuesta de la gota, y se vuelve a desviar ligeramente al salir.

La geometría de estas desviaciones y rebotes es curiosa, puesto que a 42º, respecto de la luz solar incidente, se produce una concentración de rayos, de modo que la luz que emerge de la gota, en esa dirección, es bastante más brillante. Dicho de otro modo, una gota de agua reemite en todas las direcciones la luz del Sol que le llega, pero a 42º la intensidad de la luz es mayor, es la dirección brillante.

La forma de arco, del arcoíris, proviene entonces de las gotas de lluvia que se encuentran dentro del arco situado a 42º, respecto de la dirección que determina la luz solar, tomando nuestras cabezas como centro del arco, y obviamente como punto de observación. El fenómeno sería parecido al punto extremadamente brillante que genera un espejo que refleja la luz del Sol: a un cierto ángulo, la luz nos ciega, mientras que a los demás ángulos nos llega mucha menos luz.

Arcos Supernumerarios, que aparecen en la región interior al arco primario, debido a fenómenos de interferencia entre diferentes rayos.  Este fenómeno sólo se aprecia si existe un contraste muy pronunciado, puesto que es muy débil.

Los 42º mencionados son en realidad un intervalo, de poco más de dos grados, puesto que cada color muestra un máximo de intensidad a un ángulo ligeramente diferente. Así, el color rojo aparece a poco menos de 40º, mientras que el violeta lo vemos a 42º, y el resto de los colores a valores intermedios. Por lo tanto, el arcoíris es, en realidad, una superposición de arcos, uno para cada color, donde cada píxel del arco proviene de una gota de lluvia diferente.

Además del arco principal, conocido como arco primario, existe un arco secundario, más débil, debido a rayos que rebotan dos veces dentro de la gota, y a que a 50 grados se da otra dirección brillante. Se distingue en días con buen contraste, y además presenta la progresión de colores invertida, respecto del arco primario.

Otras características muy relevantes, como la banda oscura de Alejandro, los arcos supernumerarios o los arcos gemelos, se comentan en las fotografías que acompañan al texto.

Un extraño fenomeno, producido por la superposición de dos arcos, uno debido a gotas esféricas y pequeñas, y otro debido a gotas más grandes, y achatadas por la fricción del aire.

Debe destacarse que la teoría matemática del arcoíris está tan evolucionada que es capaz de reproducir todos los fenómenos comentados. Sólo uno de ellos, los arcos gemelos, han escapado hasta hace poco a su reproducción teórica. En 2012, no obstante, fue posible simularlos computacionalmente. Ello permitió confirmar, por primera vez, que se trata de arcos superpuestos, debidos a gotas esféricas, por un lado, y a gotas aplastadas, por otro.

Las gotas aplastadas son, en realidad, la forma normal de las gotas de lluvia, cuando su tamaño excede 1 milímetro de diámetro, debido a la resistencia que opone el aire durante su caída.

Arcoíris atómico.

Curiosamente, el efecto arcoíris se da también en un ámbito insospechado, las colisiones entre átomos y moléculas.

Un detalle de la complejidad del laboratorio del Prof. Antonio Aguilar, de la Universidad de Barcelona, en el que se estudian las colisiones entre átomos y moléculas.

Se hacen chocar haces de átomos o moléculas, dentro de una cámara de ultraalto vacío, y se observan, mediante sofisticados métodos ópticos, las moleculas que aparecen a cada dirección de rebote.

De ahí se puede conocer con enorme detalle las fuerzas que se ejercen, a nivel microscópico, estas especies, y entender con precisión cómo proceden las reacciones químicas.

Es ésta una rama de la ciencia especialmente activa. El grupo del profesor Antonio Aguilar, de la Universidad de Barcelona, lleva más de 25 años estudiando estos choques.

En la fotografía se muestra una sección de su laboratorio, en la que podéis apreciar una parte del complejo montaje, que se requiere para estudiar lo que acontece a distancias menores de una milmillonésima de metro.

Otro ejemplo en el que menos es más...