Me apuesto lo que queráis a que más de una vez os habéis encontrado mirando al cielo y os habéis hecho la siguiente pregunta:
¿Por qué el cielo es azul?
Si vuestra curiosidad no acaba ahí también os habrá surgido la pregunta ¿Por qué las nubes son azules? Y si rizamos el rizo a esta última pregunta ¿Por qué si una nube a mediodía es blanca, al atardecer adquiere tonos anaranjados?
Todas estas preguntas se resuelven diciendo de manera breve, que se debe a la interacción de los componentes químicos de la atmósfera con la radiación solar.
Hay tres procesos básicos de transmisión de radiación: transmisión, reflexión y absorción. Dentro de la reflexión se puede distinguir entre la reflexión especular, la que se produce cuando un rayo incide sobre una superficie lisa, en cuyo caso. El rayo se refleja con la misma intensidad con la que incide; y la reflexión dispersiva o dispersión producida por superficies rugosas o pequeñas partículas que descomponen el rayo incidente en numerosos rayos de menos intensidad que son reflejados en varias direcciones.
Otro proceso es la absorción en el que la energía de la radiación queda atrapada por las moléculas de los gases elevando su temperatura. El tercer proceso es la transmisión de la radiación a través de la atmósfera sin modificar sus propiedades.
De todos los tipos anteriores de radiación la que produce el fenómeno que estamos intentando de explicar es la dispersión (separación de los diversos colores espectrales de un rayo de luz). El rayo de luz al incidir sobre un medio se puede refractar o reflejar, esto dependerá del ángulo de incidencia del rayo, su relación con el medio en el que índice. Es decir el ángulo de refracción dependerá de la longitud de onda, el índice de refracción y el ángulo de incidencia. Estos tres últimos factores son los que harán que la luz se disperse cuando se alcancen unos valores “críticos”. Encontramos dos tipos de dispersión: Rayleigh y Mie.
Dispersión de la luz en la atmósfera
Para explicar la dispersión en la atmósfera, vamos a comenzar con la interacción de la radiación con un átomo o una molécula. Siguiendo la teoría cuántica de la dualidad onda corpúsculo.
En un modelo físico simple podemos considerar que el átomo es un oscilador cargado, es decir, un sistema en el que cada uno de los electrones vibran con una frecuencia característica V0. Cuando una onda electromagnética índice sobre un átomo a la vibración del electrón se le superpone la fuerza que ejerce el campo eléctrico de la onda que oscila con la frecuencia de la luz incidente.
De esta manera, el átomo se comporta como un oscilador forzado por la onda electromagnética. Sabemos que en el caso de un oscilador forzado sólo se produce acoplamiento cuando hay resonancia, esto es, cuando la frecuencia de la fuerza V es parecida a la frecuencia propia del oscilador V0, alcanzando el máximo cuando ambas frecuencias son iguales. En este caso el electrón absorbe la energía de la radicación y comienza a oscilar con gran amplitud emitiendo nuevas ondas de frecuencia V, pero en cualquier otra dirección. Cuando V no es parecida a V0, esto es cuando está fuera del rango de resonancia, las moléculas no se excitan y dejan pasar la radiación.
Moléculas y radiación
Para las moléculas más abundantes del aire como son las N2 y O2, la frecuencia V0 de los electrones es mayor que la frecuencia de la luz visible y, por tanto, la radiación en el extremo violeta-azul del visible está más cerca de la resonancia que el extremo del rojo. En general, en este rango del visible la intensidad de la radiación dispersada es proporcional a la cuarta potencia de la frecuencia incidente, o lo que es lo mismo, la intensidad es proporcional a λ-4:
Donde K es una constante de proporcionalidad.
Dispersión de Rayleigh
La dispersión de Rayleigh es un fenómeno débil y cada molécula dispersa una pequeña cantidad de luz: un haz de luz verde, puede atravesar 150 Km de aire atmosférico antes de que su intensidad decaiga a la mitad de su valor inicial. Por esta razón se pueden ver montañas a cientos de kilómetros.
El color del cielo lejos de la posición del Sol es azul porque vemos la luz dispersada por las moléculas de aire. Los demás colores están presentes pero en menor intensidad. De hecho, cuanto, más alejado del sol más saturado está el color azul del cielo.
En el crepúsculo se produce el fenómeno complementario. En primer lugar, cuando el Sol se encuentra sobre el horizonte, la luz solar pasa a través de más aire que durante el día, de manera que sufre una mayor dispersión y termina por desaparecer prácticamente el rango violeta y azul. Además, en vez de fijarnos en la parte del cielo alejada del Sol miramos hacia el Sol, dirección en la que persisten los colores menos dispersados, que son los amarillos y rojos, característicos de las puestas de Sol y amanecer.
Ahora bien, el cielo es azul, pero ¿Por qué las nubes son blancas?
¿Por qué las nubes son blancas?
Las nubes están constituidas por pequeñas gotas de agua suspendidas en el aire. Ya he explicado que las moléculas aisladas de agua en forma de vapor absorben radiación en el infrarrojo y son visibles en la atmósfera. Sin embargo, cuando el vapor de agua se condensa en forma de gotas, la dispersión no es individual sino que es producida por todas las moléculas de la gota oscilando acompasadas con el campo eléctrico de la radiación electromagnética.
Para tamaños grandes gotas (a partir de los 5000 angstrom), la dispersión deja de depender de la longitud de onda y el fenómeno se conoce con el nombre de dispersión Mie. Según esta teoría, se produce más dispersión hacia delante, es decir, en la dirección de la luz incidente, que en ninguna otra dirección y esta direccionalidad de la dispersión aumenta con el tamaño de la partícula dispersora.
Además del color de las nubes, otros ejemplos de dispersión de Mie son el color blanquecino del cielo alrededor del sol, la calima y la neblina que atenúan el color del paisaje, y el color grisáceo que presenta la atmósfera sobre las ciudades contaminadas. En estos casos la dispersión se debe al polvo, cenizas y, en general, a partículas de tamaño mayor que la longitud de onda visible.
En resumen, a diferencia de lo que sucede en la absorción, donde la energía de la radiación se transforma en energía cinética de las moléculas, esto es, en calor, en la dispersión la energía de la radicación se refleja de forma que el centro dispersor no gana energía. Hay dos tipos de dispersión, la de Rayleigh, que depende de la longitud de onda de la radicación y que se dispersa uniformemente en todas las direcciones, y la dispersión Mie, que es independiente de la longitud de onda y se dispersa principalmente en la dirección del rayo incidente.
