¿Por qué las nubes se ven rojas?

16/01/2017/Abcblogs/AJV

Cada día la salida y puesta de Sol nos regala un espectáculo increíble. A veces parece que el cielo se ha incendiado o que un gran volcán arde en el horizonte, pero lo que ocurre en realidad es que la física está jugando con nuestra sensibilidad.

¿Por qué ocurre esto? La causa está en un fenómeno físico que ocurre porque la luz blanca que procede del Sol está compuesta en realidad por una mezcla de colores, tal como puede verse en las carátulas de Pink Floyd o en un arcoiris. El motivo es que cada uno de los colores tiene una «facilidad» distinta para atravesar la atmósfera. Así que, si al amanecer y al atardecer hay más colores naranjas o rojos, es porque los azules y morados se han dispersado más por el cielo y no han llegado hasta nosotros. Por último, si las nubes se ven rojas, es porque estas reflejan la luz tal cual les llega: por ejemplo, blanca a medio día, naranja y roja por la tarde.

¿Por qué vemos colores?

Hay que tener en cuenta que los colores no son más que percepciones humanas de un fenómeno físico. Cada uno de ellos está en realidad definido por un parámetro que se llama longitud de onda. Esta es una de las propiedades que explican cómo se mueve una onda, y que además está muy relacionada con la cantidad de energía que transporta. Si quisiéramos definir la longitud de onda, podríamos pensar en las ondulaciones que aparecen en un estanque si se tira una piedra: la longitud de onda es la distancia que hay entre dos crestas (olas) consecutivas.

¿Qué tiene que ver esto con los colores? Mucho. Básicamente, los colores son interpretaciones del ojo y cerebro humanos para representar las longitudes de onda que tiene la luz. Si las «olas» están muy juntas, el ojo interpreta que estamos viendo luz azul. Si están más separadas, ve el color naranja. Si están aún más separadas, entra en juego el rojo. De hecho, hay ondas tan apretadas o tan separadas que el ojo no es capaz de detectarlas, y es entonces cuando se dice que forman parte del espectro no visible de la radiación electromagnética, (ahí dentro está la luz ultravioleta, que algunos insectos sí que pueden ver, o las invisibles ondas de radio).

Por eso, ahora que sabemos qué son los colores, podemos entender que si el cielo se ve azul es porque nos llega la luz que tiene una longitud de onda que nosotros interpretamos como azul. Pero que si se ve rojo, es porque llega mayoritariamente la longitud de onda correspondiente.

Ahora hay que preguntarse por qué el cielo está a veces «enriquecido» en unas longitudes de onda y otras veces por otras. Además, ¡hemos dicho que la luz del Sol es blanca! ¿Cómo puede haber tantos colores?

La razón es que la luz que proviene del Sol está compuesta por una mezcla muy diversa de ondas que tienen distintas longitudes de onda. Esto se puede ver cuando la luz atraviesa un prisma o una nube de gotas de agua: entonces se forma un arcoiris, en el que las ondas están claramente separadas. Si pudiéramos “coger” estos haces, y desviarlos para que se unieran otra vez, podríamos obtener un nuevo haz blanco.

Ahora ya sabemos que: A) Los colores son interpretaciones de nuestro cerebro para las longitudes de onda de la luz. B) La luz blanca es una mezcla de varios colores. Llega el momento de hacer chocar un rayo de luz contra la atmósfera y ver qué pasa.

La luz se desvía en la atmósfera

En primer lugar, hay que comprender que los fotones no atraviesan la atmósfera sin más. Igual que un pasajero puede tener problemas para abrirse paso en una estación de metro abarrotada, para que los fotones atraviesen la atmósfera tienen que abrirse paso entre las moléculas de gas de la atmósfera. Obviamente, chocarán más y tendrán más problemas cuanto más densa sea esta.

Esto tiene varias consecuencias. En primer lugar, una parte de la luz se disipa en forma de calor (a través de un proceso físico conocido como absorción). En segundo lugar, otra parte de la energía se redirige (se dispersa) en ondas secundarias: esto se parece a lo que ocurre si apuntamos el chorro a presión de una manguera contra una pared, de forma que el agua se desvía en gotas y diferentes chorros. En el caso de la luz, esto ocurre millones de veces a lo largo de su camino por la atmósfera.

También hay que tener en cuenta la composición de la atmósfera. Cada átomo y molécula tiene una capacidad distinta para absorber y dispersar la luz: de hecho, cada una de ellas, absorberá y dispersará más unas longitudes de onda que otras. Por ejemplo, gracias a esto, el ozono es un gas que protege de la radiación solar: está “especializado” en frenar las longitudes de onda que se corresponden con la luz ultravioleta, y gracias a eso se convierte en un escudo fantástico contra esta dañina radiación. Sin embargo, el ozono no filtra la luz amarilla, por ejemplo.

En general, el fenómeno que explica este tipo de dispersión de la luz se conoce como dispersión de Rayleigh. Ocurre cuando un rayo de luz es dispersado por partículas que resultan ser más pequeñas que su longitud de onda (el espacio entre crestas de la ola). Esta cuestión del tamaño es importante porque si las partículas fueran mayores que la longitud de onda, su forma de dispersar la luz sería distinta. En todo caso, lo que es más importante es que la dispersión de Rayleigh es el motivo por el cual el cielo se tiñe de azul o rojo.

Azul o rojo gracias a Rayleigh

¿Por qué? Durante el día, el oxígeno y el nitrógeno que componen la mayor parte de la atmósfera dispersan la luz, (ese chorro de la manguera se desvía y dispersa a medida que choca con las moléculas atmosféricas). Pero hay algo más. De acuerdo con la dispersión de Rayleigh, la luz que se dispersa de forma más eficiente en el cielo es la que tiene la longitud de onda más corta: es decir, la azul. Por otra parte, la roja también lo hace, pero con mucha menos frecuencia. La consecuencia es que la mayor parte de luz dispersada es azul, mientras que el resto prosigue su camino. Y por eso, el cielo se tiñe de azul.

Si eso ocurre es por la composición de la atmósfera. Por ejemplo, si volamos hasta capas más altas, el cielo se ve e color azul marino y violeta porque estas son las longitudes de onda más dispersadas a esa altura. Si más abajo añadimos polvo en suspensión a la mezcla, el cielo se verá más marrón o amarillento.

Durante los atardeceres y amaneceres ocurre algo distinto. El Sol está muy bajo en el horizonte, y sus rayos de luz atraviesan un largo trecho de la atmósfera más densa: esa que está más cerca del suelo. Y no solo eso: además su camino es más largo que cuando el Sol está a medio día. Esto hace que aumente la probabilidad de que la luz azul se disperse antes de llegar al suelo o a las nubes. Por eso, la mezcla de colores se enriquece en amarillos, primero. Cuando estos se dispersan, predomina el naranja. Si este se dispersa, la mezcla se tiñe de rojo.

¿Y qué pasa con las nubes?

Ahora hace falta entender por qué las nubes tienen la apariencia que tienen. La causa no está en la dispersión de Rayleigh, sino en la dispersión Mie. Esta ocurre cuando las partículas dispersoras son más grandes o iguales que la longitud de onda de la luz. En la atmósfera terrestre, este tipo de encuentro ocurre cuando hay pequeñas gotas de agua en suspensión, condensadas en forma de niebla o nubes.

A diferencia del efecto Rayleigh, la dispersión Mie no distingue entre las longitudes de onda de los colores. Dispersa a todos ellos por igual. Por eso, lo único que hacen las nubes es reflejar la luz que les llega. Si la luz que llega es blanca, las nubes son blancas. Si es naranja, se verán de naranja. Sin embargo, las nubes no siempre son blancas. ¿Por qué?

Puede ocurrir por dos motivos. Cuando las nubes son tenues, el fondo azul del cielo puede hacer que aparezcan más oscuras, y se tornen de color gris. También puede pasar que el fondo de nubes y cielo sea tan brillante, que las nubes del frente parezcan más oscuras.

Si las nubes son muy densas, reflejan la luz perfectamente y se ven blancas. Si son menos densas, una parte de la luz se absorbe y se ven negras.

Contaminación y por qué el cielo no es violeta

Y, por último, un par de curiosidades. Los atardeceres y amaneceres más espectaculares y más brillantes pueden verse cuando viajamos en un avión. ¿Por qué? Porque nos estamos alejando de la capa de atmósfera más densa, y normalmente repleta de polvo y polución. Si aún así queremos disfrutar de amaneceres y atardeceres a nivel de suelo, deberemos escoger los días en los que la atmósfera está más seca y limpia. (Más información aquí).

Otra cosa. Si la máxima sensibilidad de nuestros ojos no tuviera lugar cerca de la longitud de onda del verde, veríamos el cielo de color morado. ¿Diríamos que la Tierra es el planeta morado? ¿O llamaríamos a ese morado, azul y al azul, morado?

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