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28 de Abril de 2019
Física

¿Por qué el cielo es azul?

Según la hora y el día que haga, el cielo es a veces azul, a veces rojo, a veces gris. Pero ¿qué fenómenos físicos se esconden tras ello? ¿Y qué ocurre en otros planetas?

La dispersión de Rayleigh explica el azul del cielo [Pierre Bona, fragmento].

Cuando, gracias a la radiante presencia del Sol, el cielo muestra su más bello azul, lo que está ocurriendo es que la luz solar es desviada por las partículas más pequeñas de la atmósfera.

La luz solar está formada, dicho de  manera simplificada, por muchos rayos de luz individuales que se propagan ondulatoriamente. Cuando vemos esos rayos a la vez, nos parece que la luz es blanca. Pero si esa luz pasa por un prisma, o cuando incide en las gotas de las nubes con un ángulo determinado, veremos que se descompone, como en el arco iris, en los colores rojo, naranja, amarillo, verde, azul y violeta. La luz correspondiente a cada uno de esos colores del espectro tiene sus propias longitudes de onda (la separación entre dos crestas sucesivas de la onda), diferentes de las de los otros colores. La luz roja corresponde a unas longitudes de onda mayores que los otros colores; la azul y la violeta, a longitudes menores.

El cielo diurno, azul

Cuando el Sol está alto en el cielo, el camino que la luz tiene que recorrer hasta el observador a través de la atmósfera terrestre es más corto. La atmósfera terrestre está formada en su mayor parte por moléculas de nitrógeno y de oxígeno. Los rayos de luz impactan contra esas pequeñas partículas del aire y por ello se desvían, o dicho más precisamente, se dispersan. Las moléculas del aire dispersan más la luz azul, de longitud de onda más corta, que la roja, y se reparte por el cielo, donde sigue dispersándose. El resultado es que el cielo sin nubes se pinta de celeste.

La dispersión de Rayleigh le da al cielo su color

Este principio físico fue descubierto por el inglés John William Strutt, tercer barón de Rayleigh. En su honor, el fenómeno que nos brinda el color del cielo recibe el nombre de dispersión de Rayleigh. Esta no solo describe en concreto la dispersión de la luz solar en las moléculas del aire, sino que vale para todas las formas de radiación electromagnética y para todas las partículas que sean mucho más pequeñas que las longitudes de onda de la radiación de que se trate. La intensidad de la luz dispersada por esas partículas es proporcional al inverso de la cuarta potencia de la longitud de onda de la luz: por lo tanto, cuanto menor sea la longitud de onda, más se dispersará la radiación.

Al anochecer, nubes rojas; con mal tiempo, cielo gris

Al caer el día, o cuando empieza, las circunstancias son diferentes. Al amanecer y en el ocaso el Sol se encuentra muy abajo en el cielo; el camino que tiene que recorrer su luz antes de alcanzar al observador es claramente más largo. En ese recorrido más largo, habrá ido siendo interceptada y dispersada por las moléculas una mayor parte de la luz azul que en el más corto del mediodía. Y de nuevo, como su longitud de onda es menor que la de la luz roja, también se habrá dispersado una parte mayor de la luz azul que de la roja. Desde el disco solar nos llegará a esas horas principalmente, pues, la porción roja de su luz; si hay nubes, las enrojecerá.

Sin embargo, como sabemos, el cielo no siempre se nos muestra en todo su bello esplendor. También lo vemos gris y turbio. Esto es siempre señal de que el aire está polvoriento o húmedo, y no digamos ya cuando hay una cubierta de nubes. Las gotas de agua, mucho mayores que las moléculas que intervienen en la dispersión de Rayleigh, no solo pueden dividir la luz solar en sus colores espectrales, sino, igual que las partículas de polvo, dispersarla de una manera muy diferente a la de Rayleigh, que depende menos de la longitud de onda de la luz que esta. El cielo se ve entonces grisáceo-blanquecino.

El cielo de otros planetas

Pero ¿cómo veríamos el cielo en otros planetas? ¿Sería también azul o rojo? Dependería por completo de la atmósfera del astro; más exactamente: de su densidad y de su composición. En la Luna, por ejemplo, no hay atmósfera. El cielo es allí siempre negro; la luz del Sol llega sin impedimentos hasta la superficie y se la ve por ello siempre de un blanco cegador. Marte tiene una atmósfera muy poco densa, formada sobre todo por dióxido de carbono y pequeñas partículas de óxido de hierro (III). Las sondas de la NASA que se han posado en Marte miran siempre a un cielo amarillo-rojizo. La atmósfera de Venus está  hecha también sobre todo de dióxido de carbono, solo que es muy densa. Está rodeado por 20 kilómetros de densas capas de nubes, en buena medida de ácido sulfúrico. La luz del Sol a duras penas puede atravesarlas. Las imágenes en color de la sonda soviética Venus hacen pensar, no obstante, que el cielo se vería desde la superficie con una tonalidad amarillento-anaranjada. 

Anna Klinger

Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con permiso de Spektrum der Wissenschaft.

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