El color del cielo y el señor Strutt

Fuente Wikipedia

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El señor Strutt nació el 12 de noviembre de 1842 en Essex, Inglaterra, y falleció el 30 de junio de 1919, en el mismo lugar. El señor Strutt, John William Strutt, era físico y también profesor universitario y recibió en 1904 el premio Nobel de física por sus investigaciones con los gases: descubrió los gases nobles argón y radón y realizó estudios acerca de la densidad de los gases. Pero al señor Strutt le conocemos más por su baronía que como señor Strutt: fue el tercer barón de Rayleigh, y por Rayleigh le recordamos todos.

De Rayleigh se pueden contar muchas cosas, pues vasta fue su contribución a la física. Sólo sus investigaciones con los gases ya le valió un Nobel, el de física de 1904. Pero también destacó en el mundo óptico de la física, trabajando acerca de la polarización de la luz y también de la radiación de cuerpo negro. Y a Rayleigh le debemos el saber por qué el cielo es azul. Algo que, aunque pueda parecer extraño, la humanidad tardó en descubrir.

A los astrónomos nos gusta la oscuridad. El cielo limpio y oscuro. El cielo más limpio está en el espacio exterior: tan limpio, que no hay nada. También en el más oscuro. Un satélite orbitando la Tierra es el mejor lugar para plantar un telescopio. En la Luna tampoco estaría mal, aunque los costes de montar un telescopio allí lo hacen inviable y la verdad es que, con tenerlo orbitando por su cuenta alrededor de la Tierra, no necesitamos a la Luna, aunque fuera barato el montaje allí. Espacio exterior y Luna tienen algo en común: el cielo siempre es negro: no existe atmósfera.

La Tierra sin embargo sí tiene atmósfera. Su gravedad le permite retener hasta una cierta altura una gran cantidad de gases, principalmente nitrógeno, un 78% y oxígeno, un 21%. El resto se lo reparten una serie de gases con porcentaje irrisorio, como el dióxido de carbono, que con un 0,03% es capaz de mantener la temperatura de la Tierra en unos valores ideales gracias a su efecto invernadero; el ozono, que nos protege de los rayos ultravioleta y que oscila entre un 0,07% y un 0,000007%; kripton, metano, helio, neon y demás gases apenas detectables. Es nuestra atmósfera. Es la barrera que nos separa del vacío del espacio: apenas algo del grosor del canto de un folio si la Tierra fuera una pelota de baloncesto.

La ausencia de atmósfera en la Luna es lo que causa que tanto en la noche como en el día, el cielo sea totalmente negro. Y es precisamente la atmósfera de la Tierra la que hace que en nuestro caso, el cielo diurno sea de un color determinado. En el caso de nuestro planeta, ese color es el azul. De noche, al no recibir los rayos solares, el cielo es negro como el de la luna. Aunque el hecho de que la atmósfera no desaparece durante la noche, causa fenómenos extraños en la luz que llega de las estrellas, como pequeñas vibraciones y oscilaciones en las mismas.

De hecho, una buena forma de distinguir un planeta de una estrella cuando uno se está iniciando en esto de la astronomía es observar si “tilila”: si “tilila”, es una estrella, puesto que la luz que nos llega reflejada en los planetas visibles es lo suficientemente fuerte como para que los pequeños cambios de la densidad atmosférica no afecten lo suficiente a esa luz y no oscile o “tilile”. Es uno de los motivos por los que los astrónomos prefieren los telescopios fuera de la Tierra o en lugares secos y altos, como las cumbres de terminados lugares, véase Canarias o el desierto de Atacama, en Chile.

Si de día el cielo tiene color y de noche no, podemos deducir que dos son los factores que intervienen en el color del cielo: por un lado, la luz del Sol; por otro lado, nuestra atmósfera: los gases que la componen. La luz que proviene del Sol es luz blanca y, desde Newton, sabemos que la luz blanca en realidad se puede descomponer en los distintos colores cuando esa luz atraviesa un prisma. En realidad, cada color es una onda distinta, con su longitud de onda determinada: la del color rojo, por ejemplo, es una longitud de onda más larga que la del color violeta, que sería más corta. Aunque entre cresta y cresta de la onda, la cantidad de energía es la misma. Por eso la luz que está por encima del violeta, la ultravioleta, es más energética que la luz roja visible y por eso la luz ultravioleta es peligrosa para nosotros y la luz roja no, puesto que al ser más energética, la ultravioleta es capaz de romper nuestras moléculas de ADN.

Cuando la luz blanca que proviene del Sol viajando libremente por el espacio vacío se encuentra con nuestra atmósfera, podríamos decir que encuentra muchos “prismas” de golpe: muchos átomos de nitrógeno, algo menos de oxígeno y otros más raros como dióxido de carbono o argón. También se encuentra con gotitas de agua, con cristales de hielo, con polen de las plantas, con partículas de polvo, con cenizas de los volcanes e incluso con cristales de sal de los océanos. Cada una de estas sustancias que se encuentran en nuestra atmósfera actúa de manera independiente sobre los rayos de luz blanca que provienen del Sol.

El rayo de luz llega a nuestra atmósfera y comienza a chocar con las partículas y las sustancias que va encontrando. Si las partículas que encuentra son muy grandes, como pueden ser las gotas de agua o los cristales de hielo, el rayo de luz blanca continuará siendo un rayo de luz blanca y rebotará en todas direcciones. Esa es la razón por la que las nubes las vemos de color blanco. Pero cuando las partículas con las que choca la luz son mucho más pequeñas, por ejemplo moléculas de alguna sustancia o átomos, estas partículas absorberán parte de esa luz para devolverla más tarde cuando los átomos pasen del estado excitado al estado normal. La liberación de esa energía, de esos nuevos rayos de luz, se hará también en todas direcciones, pero cada sustancia deja su propia marca en ese rayo de luz generado: su color. El nitrógeno, por ejemplo, es de color azul: es decir, si luz blanca llega al nitrógeno, este absorberá parte de la radiación y luego la reemitirá en forma de color azul. Como el nitrógeno es el componente más abundante de nuestra atmósfera, la posibilidad de que un rayo de luz choque con una molécula de nitrógeno es mucho más alta: por eso nuestro cielo es azul.

Al mirar, por tanto, un trozo de cielo en el que no está el Sol, lo que vemos es luz azul dispersada por las moléculas de nitrógeno. Esta dispersión recibe el nombre de dispersión de Rayleigh, pues fue Rayleigh, el señor Strutt, su descubridor en el año 1871. Existe una razón por la que, al mirar hacia el zenit, el cielo se muestra de un azul más intenso que al mirar hacia el horizonte. Cuando miramos hacia el horizonte, la cantidad de atmósfera y de partículas es mayor, por lo que la luz es dispersada tantas veces que va perdiendo intensidad y va pareciendo menos azul. Además, parte de esa densidad mayor en la atmósfera sobre el horizonte se debe a que hay una mayor cantidad de gotas de agua que, aunque no formen nubes, tienden a favorecer la dispersión de la luz blanca. Esto es especialmente visible en un horizonte sobre la orilla del mar, donde la concentración de gotas de agua es muy grande.

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