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viernes, diciembre 3, 2021

Cielo-azul/Cielo-rojo y ondas electromagnéticas

Por: Oracio Barbosa

Seguramente en más de una ocasión nos hemos preguntado, ¿por qué el cielo es azul? ¿por qué durante las mañanas o tardes la coloración del cielo en el horizonte es rojizo?

En principio, la respuesta está en la luz blanca que recibimos del sol, en el tamaño de las partículas de la atmósfera y la distancia que viaja la luz dentro de la atmósfera hasta nuestra posición como observadores. 

En una entrega anterior (Zona Franca, 5 de Julio, 2019) explicamos que la luz blanca del sol es en realidad un conjunto de ondas electromagnéticas en la región visible del espectro electromagnético y que en una tarde lluviosa con sol esa luz blanca se descompone en colores, mayormente rojo-naranja-amarillo-verde y azul.  También comentamos que a cada color le corresponde una longitud de onda; si consideramos los colores rojo y azul la longitud de onda del primero ronda los 700 nanómetros mientras que el azul los 450 nanómetros. La atmósfera terrestre está conformada por gases/partículas de diversos tamaños, por lo que cualquier partícula con tamaño aproximado a cualquiera de esos dos valores en particular, 700 ó 450 nanómetros, “esparcirá” la onda electromagnética en todas direcciones, sin modificar el color de la misma. 

En el fenómeno de esparcimiento la onda incidente debe ser, en longitud de onda, del mismo orden en tamaño de la partícula. Si la onda incidente tiene una longitud de onda mayor al de la partícula el esparcimiento no ocurrirá y la onda continuará su trayectoria rectilínea; por el contrario, si la longitud de onda es menor al tamaño de la partícula entonces el fenómeno de reflexión ocurrirá. En este sentido, las ondas electromagnéticas que inciden sobre nuestra atmósfera con longitud de onda menores a 450 nanómetros (ya no serían visibles) son reflejadas protegiéndonos de la radiación ultra-violeta que nos causaría daño; por el contrario, las ondas electromagnéticas mayores a 700 nanómetros se trasmitirán directamente hasta la superficie terrestre para ser reflejas.  Sin embargo, de existir “contaminación” atmosférica con partículas con tamaño adecuado, ligeramente mayores a los 700nm, esa radiación estará atrapada generando una sensación térmica mayor (inversión térmica ó efecto invernadero). Recordemos que las ondas electromagnéticas con longitud de onda menores a los 700 nanómetros son las que generan una sensación de calor.

Entonces, la coloración mayormente rojiza del cielo se presenta en el horizonte, ya sea por la mañana o por la tarde, y se debe al esparcimiento de la luz del sol por las partículas de tamaños del orden de 700 nanómetros; es sobre el horizonte donde comparativamente se encuentran las partículas de mayor tamaño de la atmósfera y es sobre el horizonte donde la luz del sol viaja una mayor distancia dentro de la atmósfera terrestre hasta llegar a nuestros ojos. Por encima del horizonte los tamaños de las partículas en la atmósfera son más pequeñas y el fenómeno de esparcimiento ocurre entre la luz azul y partículas con tamaño alrededor de 450 nanómetros por lo que el cielo se observará con una coloración azul. Conforme el sol se levanta del horizonte el fenómeno de esparcimiento entre la luz blanca del sol con partículas con tamaño del orden de 700 nanómetros disminuye y prevalece el esparcimiento con partículas con tamaño aproximado a los 450 nanómetros; por tanto, el cielo se observará completamente azul. 

En la luna el cielo no presenta coloración alguna puesto que no hay atmósfera, por lo cual no existen partículas suspendidas de ningún tamaño sobre su superficie que “dispersen” la luz y así lograr una coloración; por tanto, el cielo estando en la luna es “negro”.  El cielo es también “negro” para los astronautas que se encuentren fuera de la atmósfera terrestre. Por tanto, la coloración azul del cielo y sus espectaculares atardeceres rojizos/amarillentos en nuestro planeta los podemos explicar mediante el fenómeno de esparcimiento.

  

Figura 1. Los colores rojo y azul de la luz del sol tienen longitudes de onda diferente, alrededor de 700 y 450 nanómetros, respectivamente.  Estas ondas electromagnéticas son “esparcidas” por partículas de la atmósfera con tamaños similares, generando coloraciones rojizas y azuladas en el cielo. 

 

Columna del CIO
El Centro de Investigaciones en Óptica (CIO) es uno de los Centros públicos de investigación pertenecientes al Conacyt. Se especializa en óptica y fotónica (estudio de la luz y su interacción con la materia) www.cio.mx

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