Un atardecer en llamas ya no es un misterio

El fenómeno natural en cuestión se llama dispersión de Rayleigh, en honor a Lord Rayleigh, quien explicó cuantitativamente lo que sucedía en un artículo científico en 1871.

Hay dos ideas fundamentales en juego. La primera es que la luz es una onda electromagnética. El sol emite luz de varios colores. El color de la luz se hace evidente cuando la hacemos pasar por un prisma o atraviesa gotitas de agua formando un arco iris. La luz blanca es la combinación de estos colores. La descripción física del color es lo que llamamos longitud de onda. El color rojo tiene una longitud de onda de unos 700 nanómetros, o bien 700 millonésimas de milímetro. El color azul tiene una longitud de onda más corta: 400 nanómetros.

La segunda idea fundamental es que la atmósfera es una mezcla de gases, siendo el nitrógeno y el oxígeno los más abundantes. Como todos sabemos, los átomos tienen cargas eléctricas positivas en su núcleo y una nube de cargas eléctricas negativas alrededor. La pregunta clave es: ¿qué pasa cuando una onda electromagnética (la luz) incide en las moléculas de gas de la atmósfera?

La respuesta es que el campo eléctrico de la luz ejerce una fuerza sobre las cargas eléctricas de los gases atmosféricos. Esa agitación hace que las moléculas oscilen y en el proceso la luz incidente sea absorbida y dispersada. Como siempre, la física siendo física no sería nada si dejamos las cosas en palabras. Lo anterior se puede calcular usando las ecuaciones de Maxwell del electromagnetismo.

Lo que encontramos es que no todos los colores se dispersan en igual cantidad; sino que a menor longitud de onda, mayor es la dispersión. Pero no es solo proporcional, sino que la dispersión depende de la cuarta potencia de la longitud de onda. Con esto, podemos comparar qué tanta luz roja es dispersada en relación con la luz azul. Resulta que el cálculo es la razón entre longitudes de onda elevadas a la cuarta (700/400)^4, lo que nos dice que la luz azul se dispersa casi 10 veces más que la luz roja.

Esa es la razón de que el cielo sea azul en durante el día y rojizo en el atardecer (o amanecer, pues funciona de igual manera).

Este diagrama muestra la forma en que se dispersa la luz del sol (Imagen: http://www.relativelyinteresting.com/).

La situación se explica en la figura de arriba. En el día la atmósfera dispersa mayormente el color azul y por eso vemos el cielo azul. Sin embargo, al atardecer el sol está sobre el horizonte, la luz ha recorrido una distancia más grande a través de la atmósfera. La luz que vemos ya no contiene mucho azul, porque ha sido dispersado en el camino. Lo que vemos es lo que queda, es decir, colores mayormente rojos.

El proceso es muy similar a cuando una familia se reúne a comer pollo. En esta familia la gente prefiere comer pechuga y la pierna la hacen de menos. Cuando van pasando la bandeja con todas las piezas de pollo, las pechugas son las primeras que se van quedando en el camino. Cuando la bandeja llega a la última persona, lo único que hay son piernas. En esta analogía, la pechuga es el azul y la pierna es el rojo. Algo así es como la atmósfera tiene preferencia por dispersar el color azul en mayor medida que el rojo.

Los materiales opalescentes hacen lo mismo. Dispersan el azul y se ven de ese color. La luz que los atraviesa se ve rojiza, porque ya no posee el componente azul.

La luz que atraviesa este trozo de vidrio ha dispersado su componente azul (Imagen: Flickr, Optick).

Cielos azules y atardeceres (o amaneceres) en llamas no son un misterio. Lo fueron un tiempo, pero no lo son más. Hoy sabemos que detrás de lo que vemos, la naturaleza funciona en formas precisas y calculables. Este es un factor más para añadir a nuestro asombro al contemplar las maravillas de este hermoso mundo en que vivimos.