El cielo y sus colores.

El cielo y sus colores han cautivado a los hombres y mujeres de todas las épocas y lugares, inspirando creaciones artísticas y culturales como mitos acerca de su naturaleza.
Nos rodea un tranquilo y aparentemente infinito celeste, errantes y variadas nubes blancas jugando con el viento. Y más allá el Sol, la lamparita que ilumina todo lo que vemos. Que cuando se acerca la noche provoca esos hermosos atardeceres de colores cálidos.
También las tormentas más violentas sacuden nuestra insignificancia.
Muchos de nosotros estamos siempre ocupados con cosas de la superficie, nos olvidamos del cielo y su belleza. Aquí intentaré explicar un poco de la ciencia detrás del cielo y sus colores, para que puedan conocer otros de sus aspectos hermosos más allá de lo que vemos directamente.























¿Qué es el cielo?

El cielo es un mar de gas que cubre la superficie terrestre, es la atmósfera de nuestro planeta.
Es fundamental para una gran cantidad de procesos que hacen único al planeta Tierra.
Está compuesto por una mezcla de gases simples:





El nitrógeno diatómico (N2) es el gas más abundante, pero es muy poco inactivo quimicamente, así que está involucrado en muy pocas reacciones químicas. El siguiente gas más abundante es el oxígeno diatómico (O2), que es altamente reactivo oxidando otras sustancias, es producido por los organismos fotosintéticos y utilizado por casi todas las formas de vida (menos las bacterias anaeróbeas) para llevar a cabo sus funciones energizantes en la respiración celular. Los siguientes gases se encuentran en muy baja concentración, Argón un gas noble monoatómico (muy poco reactivo) y dióxido de carbono (CO2) el principal gas de efecto invernadero, mantiene atrapado el calor del Sol dentro de la atmósfera, es un problema urgente para la humanidad porque para generar energía se queman grandes cantidades de combustible que aumentan la concentración de CO2, provocando el calentamiento global.
También hay agua (en forma de vapor, gotitas y cristales de hielo), muy pequeñas cantidades de otros gases y pequeñas partículas sólidas, como polvo, cenizas, humo, polen, y sal de los oceános.


La atmósfera terrestre, dependiendo de la altura a la que nos encontremos, tiene diferentes propiedades como la presión, la temperatura, la densidad, la exposición a radiación ionizante del sol.




Mientras más subamos hay una presión menor, debido a que sobre nosotros hay una menor cantidad de peso de aire. Disminuye su densidad.

Hoy Felix Baumgatner subió hasta la estratósfera con un globo y dió un salto desde 39 Km.
El globo mientras subía se iba inflando, porque su presión interior se mantenía constante pero la presión exterior iba disminuyendo







La tropósfera es la capa más cercana a la superficie terrestre, donde se desarrolla la vida y ocurren la mayoría de los fenómenos meteorológicos. Tiene unos 8 km de espesor en los polos y alrededor de 15 km en el ecuador. En esta capa la temperatura disminuye con la altura alrededor de 6,5 °C por kilómetro. La troposfera contiene alrededor del 75% de la masa gaseosa de la atmósfera, así como casi todo el vapor de agua. Su límite con la estratósfera es la capa de ozono.



Mientras más nos elevamos el aire se vuelve más tenue, y se va oscureciendo.

En verdad la mayor cantidad del aire forma una capa muy fina sobre nuestro planeta



Paolo Nespoli, un astronauta que trabajó en la estación espacial nos cuenta su perspectiva:

Me sentí como un humano, un hombre terrestre; no un italiano ni un europeo. Me sentí como un terrícola.
Obtienes una apreciación de qué tan delicado es el planeta. Ves a la atmósfera que cubre la Tierra como una sábana. Se veía como que si soplas muy duro se irá flotando. Sabemos que si se ve afectada en cierta forma, será el fin.


¿Qué es la luz?

Ya hemos definido que es el cielo, la atmósfera de nuestro planeta. Para entender sus colores primero deberemos hablar un poco acerca de la naturaleza de la luz.
La luz es una forma de energía, dependiendo de la situación se la puede considerar como compuesta por ondas electromagnéticas o partículas llamadas fotones.

Una onda está definida por su velocidad (rapidéz y dirección), longitud de onda y frecuencia, y amplitud.



La longitud de onda es la distancia entre 2 crestas consecutivas. La frecuencia es cuantos ciclos por segundo hace la onda "qué tan rápido vibra", en una onda de luz son inversamente proporcionales ya que la velocidad es constante (mientras mayor longitud de onda, menor frecuencia). Y la amplitud, en una onda de luz es la intensidad del brillo.
La velocidad de una onda electromagnética en el vacío es de c=299.793 km/s, 7 vueltas a la Tierra por segundo.
Una onda electromagnética está generada por un campo magnético y un campo eléctrico perpendiculares y oscilantes.



Lo que percibimos como distintos colores son ondas electromagnéticas de distinta energía, la energía viene determinada por la longitud de onda. Mientras menor longitud de onda (mayor frecuencia) mayor energía.



La luz azul transporta más energía que la luz roja, por ejemplo si te iluminan con un láser rojo un ojo, te va a molestar muchísimo menos que si el láser tuviera la misma intensidad y fuera azul. O la luz azul calienta más que la roja.

El espectro visible de radiación electromagnética es ese pequeño rango de longitudes de onda que puede ser captado por las retinas de nuestros ojos.




Los colores en sí, son la sensación visual generada en el cerebro, a partir de la información que llega desde los ojos. Lo que diferencia a un color de otro es la energía de la onda electromagnética. La luz es más energética del lado azul del arcoiris que del rojo.
Esta diferencia de energía es lo que va a determinar los distintos colores que vemos en el cielo.

¿Por qué el cielo es celeste?


Todos los niños se hacen esta pregunta a sí mismos y a los adultos que les rodean, muchas veces sin recibir una respuesta muy satisfactoria o incluso aveces es desalentadora de su curiosidad.

La luz del Sol que llega a la Tierra es blanca, es una mezcla de luz de todos los colores. Cuando entra en contacto con las partículas de la atmósfera dependiendo de su energía algunos rayos de luz se ven más desviados que otros, se difunden en el aire. Las ondas electromagnéticas de mayor energía (menor longitud de onda) son desvíadas de su camino original mucho más que las de menor energía. Y esto ocurre constantemente, entonces al observar el cielo nos llegan de todas direcciones predominantemente luz azul ya que es la que más se esparce (y es mucho más abundante que la violeta).



El mecanismo principal que tiñe nuestros cielos se llama dispersión de Rayleigh, es la desviación de las ondas de luz de alta energía en prescencia de partículas más pequeñas que su longitud de onda.



Una molécula de O2, se mantiene unida por los electrones compartidos entre los 2 atómos de oxígeno.

Recordemos que una onda electromagnética (EM) está compuesta por campos eléctricos y magnéticos.
Al acercarse una onda EM a una molécula, los campos eléctricos interaccionan con sus nubes electrónicas, haciéndolas vibrar periódicamente con la misma frecuencia de la onda EM, transfiriéndole su energía.
La oscilación de la nube electrónica resulta en un movimiento periódico de carga dentro de la molécula, llamado momento dipolar inducido. El momento dipolar inducido es una fuente de radiación EM de la misma frecuencia que la luz incidente, pero en otra dirección. La luz azul en nuestra atmósfera es la que resulta más esparcida debido al tamaño de las moléculas. En otros planetas con atmósferas compuestas por moléculas más grandes la luz verde puede ser notablemente esparcida haciendo un cielo verde.



Sí, como en el planeta Namekusei de Dragon Ball

La dispersión de Rayleigh también le da el color azul al mar o a las montañas cuando están muy alejadas.




¿Por qué los atardeceres son rojos?




Cuando el Sol se ve cercano al horizonte empieza a oscurecerse y a cambiar su color, primero se pone amarillo, luego naranja, y al final rojo.

Esto sucede porque la dispersión de Rayleigh al esparcir principalmente la luz azul y no desviar la luz de menor energía, va despojando del rayo original de luz blanca de sus colores más energéticos.
Podemos observarlo en esta roca cuyo color se genera de la misma forma que en el cielo. La luz azul es dispersada y el rayo que emerge del otro lado es de menor energía, algo así como que la luz azul se filtra y se queda rebotando por el material, mientras que la luz de menor energía, principalmente la roja y naranja, siguen su camino.



Cuando el Sol se ve cercano al horizonte, los rayos de luz blanca que emite en nuestra dirección atraviesan la atmósfera en un ángulo razante, debiendo atravesar una capa muchísimo mayor de aire que si ingresaran perpendicularmente como al medio día.
El rayo de luz que originalmente era blanco va perdiendo las ondas más energéticas, si pierde la mayoría de su luz azul queda luz roja y verde, tornándose amarillo. Si la distancia que recorre en la atmósfera es mayor, incluso perderá la luz verde que es de energía media, dejando solamente el naranja y el rojo.



Lo mismo ocurre con la luz proveniente de la Luna, cerca del horizonte se ve amarilla o naranja. Además de verse más grande por una ilusión óptica de la perspectiva.





Durante los eclipses totales de Luna, cuando está completamente oscurecida por la sombra terrestre, la Luna se torna de un color rojo. Es iluminada por todos los atardeceres y amaneceres de la Tierra que están ocurriendo en ese momento. La Tierra se vería desde ahí como un anillo rojo.



¿Por qué son blancas las nubes?



Las nubes son masas de agua condensada visibles en la atmósfera, están formadas por gotitas o cristales microscópicos.



Las nubes son blancas porque esparcen toda la luz que incide sobre ellas por igual.



Cuando son muy grandes se ven grises o negras debido a que no dejan pasar la luz que viene desde arriba.
Las gotitas que las forman difunden la luz blanca policromática que incide sobre ellas pero sin alterar su color. Este fenómeno se conoce como dispersión de Mie.

La dispersión de Mie se aplica a la interacción entre la luz y las partículas de gran tamaño. Para ser llamadas partículas "grandes", deben tener tamaño mayor que la longitud de onda de la luz. El comportamiento de las partículas grandes de la atmósfera en este caso es como si fueran un espejo, sin preferencia por ninguna componente de color de la luz blanca incidente.



Un experimento casero.

Este experimento sencillo puede ser utilizado para demostrar y explicar el fenómeno a un niño.



Fuente.