Mamá y papá: ¿Por qué el cielo es azul?
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Introducción.
¿Por qué el cielo es azul? Es la pregunta infantil por excelencia que deja perplejos a los padres todo el tiempo.
Pero, si tu hijo te la preguntara, ¿podrías responderle?
En este artículo, vamos directamente a los puntos esenciales para convertirte en el experto en el color del cielo.
Figura 1 ¿Por qué el cielo es azul?
La luz azul se dispersa en la atmósfera.
La respuesta breve a por qué el cielo es azul es que la luz azul de la luz solar se dispersa en la atmósfera más que otros colores, por lo que el cielo se llena de luz azul.
Para entender la respuesta larga, debes saber algunas cosas. La primera es que la luz solar contiene todos los colores del arco iris (rojo, azul, verde, etc.) También debes saber que, en su mayor parte, la luz viaja en línea recta.
Figura 2 Sólo vemos la luz que incide directamente en nuestros ojos.
Como el sol es una esfera, su luz viaja en todas direcciones. Pero sólo vemos la luz que incide directamente en nuestros ojos. No vemos el resto de la luz que sale en distintas direcciones. Y hay una cosa más que debes saber y que se explica a continuación.
La Tierra tiene atmósfera
La atmósfera terrestre contiene partículas como Oxígeno y Nitrógeno. Los fotones de luz azul que viajan desde el sol golpean estas partículas y se dispersan en todas direcciones.
Figura 3 La luz azul incide en las partículas de la atmósfera y se dispersa.
Parte de la luz azul dispersada llega a nuestros ojos, y eso es lo que hace que el cielo parezca azul. En realidad, son miles de millones y miles de millones de fotones de luz azul los que se dispersan por el cielo, lo que hace que todo el cielo sea azul.
Figura 4 Miles de millones de miles de millones de luz azul dispersa hacen que el cielo parezca azul.
Sin la atmósfera, el cielo parecería oscuro en cualquier momento del día.
Si no hubiera atmósfera, no habría dispersión de la luz y el cielo se vería oscuro, incluso con el Sol encima. ¿Has visto las fotos del alunizaje? El cielo siempre está oscuro porque no hay atmósfera ni dispersión de la luz en el cielo.
Figura 5 Sin atmósfera no hay dispersión y el cielo es oscuro.
¿Por qué la luz roja y la luz verde no se dispersan en el cielo?
La principal diferencia entre un fotón azul y la luz verde/roja son sus longitudes de onda. Las longitudes de onda azules son más cortas que las verdes o rojas, por eso se dispersan más fácilmente al chocar con las partículas atmosféricas.
Figura 6 Las longitudes de onda se acortan al pasar del rojo al verde y al azul.
Los fotones rojos y verdes sí se dispersan, pero menos que los azules. La mayoría de esos fotones rojos y verdes del sol viajan en línea recta alejándose del sol y nunca llegan a nuestros ojos.
¿Por qué el cielo es rojo justo por encima del horizonte al atardecer (o al amanecer)?
Esto también tiene que ver con la atmósfera, pero es un poco complicado. La atmósfera tiene un espesor uniforme alrededor de la Tierra. Sin embargo, tu ubicación respecto al sol cambia el grosor de la atmósfera que atraviesa la luz. Para entenderlo, tienes que observar la situación visualmente.
Figura 7 El horizonte es rojo porque la luz tiene que atravesar más atmósfera al atardecer.
La luz del sol al mediodía atraviesa la atmósfera con un cierto espesor. Sin embargo, el sol al amanecer está más bajo en el cielo y debe atravesar un mayor espesor de la atmósfera debido al ángulo que forma contigo respecto al sol en relación con el sol y la atmósfera.
Figura 8 La luz atraviesa más atmósfera al atardecer que al mediodía.
Esa distancia da a los fotones azules más tiempo para dispersarse lejos de nosotros, porque los ángulos se amplían al aumentar la distancia. Esto hace que se vea sobre todo luz roja y verde. Cuando se combinan el verde y el rojo, se obtiene el resplandor anaranjado de la puesta de sol. Recuerda que el rojo y el verde no se dispersan tanto.
Figura 9 Gran parte de la luz azul se ha dispersado antes de llegar a nosotros, dejándonos el resplandor anaranjado de la luz roja/verde.
¿Por qué las longitudes de onda azules más cortas se dispersan más que las rojas y verdes (inmersión profunda)?
Llamamos a este fenómeno de dispersión Efecto Rayleigh, en honor a Lord Rayleigh, también conocido como John William Strutt, que escribió sobre ello en el siglo XIX. Explicó la relación entre la dispersión y las longitudes de onda de la luz mediante la fórmula de la figura 10. Básicamente, Lamda (λ) es la longitud de onda, y sigma (σ) puede considerarse la cantidad de dispersión.
Figura 10 – La ecuación de Rayleigh que explica la proporción inversa de la dispersión respecto a la longitud de onda.
A medida que disminuye tu Lamda (λ) o longitud de onda, aumenta el valor sigma (σ). Por lo tanto, una longitud de onda (λ) más corta, por ejemplo, el azul, tendrá un mayor efecto sigma o de dispersión, y menos para el verde, y aún menos para el rojo. Esto puede verse en la Figura 11 del Espectro.
Figura 11 – Este espectro del cielo al mediodía, muestra que el azul se dispersa más que el verde, que se dispersa más que el rojo (excluyendo el rojo lejano), siguiendo la ecuación de proporción inversa de la Figura 10.
El efecto Rayleigh explicaba el comportamiento, pero no la razón. La razón de la cantidad de dispersión relativa a la longitud de onda del fotón tiene que ver con las interacciones cuánticas entre la luz y las partículas.
Esto se explicó mucho más tarde en un artículo, «La teoría cuántica de la dispersión atómica de Rayleigh», desarrollado por A. P. Vinogradov, V. Yu. Shishkov, I. V. Doronin, E. S. Andrianov, A. A. Pukhov y A. A. Lisyansky (2020). Esta publicación profundiza en las partículas subatómicas, los estados de los electrones y el entrelazamiento de partículas, mucho más allá del alcance de este artículo (consulta los créditos finales de las publicaciones).
Figura 12 – El espectro al anochecer: más luz roja y verde por encima del horizonte.
Resumen
La razón por la que el cielo es azul no es tan difícil. La luz solar contiene todos los colores del arco iris. Los colores azules se dispersan en el cielo en todas direcciones porque chocan con partículas de la atmósfera (por ejemplo, Oxígeno, Nitrógeno). Parte de ese color azul disperso llega a nuestros ojos y hace que el cielo parezca azul. Otros colores (rojo, verde, etc.) no se dispersan tan bien porque tienen longitudes de onda más largas.
Y por eso el cielo es azul.
¡Las mamás y los papás también pueden ser científicos!
Más información – ¿Qué es la luz y de dónde viene(aquí)?
Figura 13 – ¡Las mamás y los papás también pueden ser científicos!
Referencias:
- XXXIV. Sobre la transmisión de la luz a través de una atmósfera que contiene pequeñas partículas en suspensión, y sobre el origen del azul del cielo | William John Strut a.k.a Lord Rayleigh |1899 | https://zenodo.org/records/1431249
- Teoría cuántica de la dispersión atómica de Rayleigh | A. P. Vinogradov, V. Yu. Shishkov, I. V. Doronin, E. S. Andrianov, A. A. Pukhov y A. A. Lisyansky | Octubre de 2020. |https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-29-2-2501id=446591.
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