¿Por qué el cielo es azul?

En busca del aire puro

John Tyndall nació en 1820 y se formó en la Universidad de Marburgo, en Alemania. Regresó al Reino Unido en 1853 para trabajar en la Royal Institution a las órdenes del mismísimo Michael Faraday.

Destacó Tyndall en el estudio de la radiación térmica. Quería indagar sobre la capacidad de absorción de calor por parte de sustancias gaseosas, para lo que necesitaba que las muestras de aire y otros gases estudiados estuvieran perfectamente limpios de partículas en suspensión que pudieran sesgar los resultados. Observó que podía detectar impurezas flotantes proyectando un rayo de luz a través del espacio ocupado por el gas, pues el trayecto del rayo era visible en presencia de partículas suspendidas, mientras que en gases limpios el espacio era ópticamente vacío.

Ello se debe a que la luz se dispersa al chocar contra las impurezas suspendidas

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Efecto Tyndall produce chorros de luz que se filtran a través de una habitación con polvo o entre las copas de los árboles de un bosque.

Pero Tyndall fue más allá y demostró que este efecto también ocurría en los líquidos. El agua pura o con algún soluto disuelto en forma de solución verdadera no dispersa la luz proyectada a su través; en cambio, si hay partículas suspendidas en el líquido sí se dibuja el trayecto luminoso.

Es decir, el efecto Tyndall es inherente a los sistemas coloidales (sean aerosoles, emulsiones, geles, espumas, etc.).

En 1859, Tyndall describió como la luz era dispersada por las partículas en suspensión en un medio transparente, lo que se conoce como Efecto Tyndall.

Años más tarde, en la década de 1870, John William Strutt Lord Rayleigh estudió el efecto Tyndall en más detalle y descubrió que incluso las partículas de tamaño atómico y molecular producen dispersión de una radiación electromagnética, incluída la luz visible. En concreto, Rayleigh observó como estas partículas tan pequeñas pueden dispersar radiación con longitudes de onda mucho mayores que el propio tamaño de la partícula. Este fenómeno, conocido como dispersión de Rayleigh, se puede observar en líquidos y sólidos transparentes pero es mucho más notable en gases.

Los colores que vemos en el cielo se deben a la manera en que interactúan la luz y la atmósfera, la cual esta formada por diferentes gases y partículas de polvo, agua, ceniza, y diferentes contaminantes. Estos componentes son suficientes para generar diferentes manifestaciones de color en el cielo.

La luz blanca

Las ondas de luz, igual que las olas del mar, tienen crestas y valles, la distancia entre dos crestas consecutivas se llama longitud de onda.
La luz blanca es la combinación de todos colores que ojo puede ver.

Al atravesar un material transparente, cada color contenido en la luz blanca se desviará un ángulo diferente, dando lugar a la separación de la luz donde podemos apreciar los colores del arco iris.
Rojo, naranja, amarillo, verde, azul y violeta a cada uno de los cuales asociamos una onda característica. La longitud de onda de cada uno de estos colores aumenta al ir del violeta al rojo.

El cielo azul

La luz que emite el sol es luz blanca que viaja por el espacio hasta llegar a la atmósfera terrestre.
En la atmósfera, los rayos de luz interaccionan con las millones de moléculas de gas que hay en el aire, podemos pensar que “chocan” con éstas y así van variando su trayectoria en zigzag a través de la atmósfera hasta que por fin llegan a nuestros ojos. Esta interacción se debe a la relación que hay entre el tamaño de las partículas atmosféricas y la longitud de onda asociada a cada color y es mayor cuanto más pequeña es la longitud de onda, por eso los rayos azules y violetas se ven más afectados que los de los otros colores. La luz solar, al encontrarse con los gases de la atmósfera terrestre, principalmente nitrógeno y oxígeno, sufre la dispersión descrita por Rayleigh. Pero no todas las longitudes de onda son dispersadas por igual sino que las longitudes más cortas se dispersan con mayor intesidad. El violeta y el azul son las longitudes de onda más cortas del espectro de luz visible y son las más dispersadas. Como la intensidad del violeta en la luz solar es menor que la del azul, y además parte del violeta es absorbido en capas superiores de la atmósfera, la dispersión es mayoritariamente de luz azul. Por eso, si miramos al cielo pero no directamente al Sol, la luz que llega a nuestros ojos es la luz azul dispersada y vemos el cielo de ese color, una consecuencia de la combinación del efecto Tyndall y la dispersión de Rayleigh (1842-1919).

Cuanto más directo miramos al Sol, más luz directa y menos luz dispersada nos llega, por eso podemos ver el cielo cada vez más blanco y claro a medida que miramos más directamente del Sol. Si miramos al lado opuesto del Sol, el azul es más pálido ya que la luz ha ido perdiendo el azul por sucesivas dispersiones. En el espacio exterior, dónde no hay partículas que dispersen la luz, se ve la luz blanca del Sol y el “cielo” (el espacio) se ve negro.

A medida que el Sol va descendiendo en el horizonte, la luz que nos llega recorre cada vez más atmósfera hasta que llega a nuestros ojos. En este mayor recorrido se van dispersando cada vez longitudes de onda más largas, primero el azul, luego el amarillo y así hasta que sólo nos llegan las longitudes de onda más largas, las del rojo. Por eso vemos el cielo anaranjado y rojo al atardecer. La combinación de este rojo con el azul dispersado en capas altas de la atmósfera genera la gama de violetas que podemos ver en algunas ocasiones tras la puesta de Sol, antes de que oscurezca completamente.