Cuentos Cuánticos

Cuentos Cuánticos

17-10-2022

11:30

¿Por qué el cielo es azul? Esta es una pregunta muy simple, muy oportuna y que pocas veces recibimos una respuesta completa y satisfactoria. En realidad, responder a esta pregunta tienen mandanga. Pero, joder, ¡Es tan bonito!

Empezaremos diciendo que la luz es una onda electromagnética. Son campos eléctricos y magnéticos propagándose propagándose (incluso por el vacío). Una característica importante de una onda es la distancia entre sus picos, la LONGITUD DE ONDA.

Una onda electromagnética se genera por cargas aceleradas. Si una carga acelera pues emitirá ondas electromagnéticas. Palabra de Maxwell.

Podemos clasificar las ondas electromagnéticas en función de su longitud de ondas, desde rayos gamma (ondas cortísimas) hasta ondas de radio (ondas larguísimas). Lo que nosotros podemos ver son ondas electromagnéticas con longitudes de onda que van de los 400 a los 700nm.

Para hablar del color del cielo es necesario hablar de la fuente que nos ilumina, el Sol. El Sol es una estrella modestita. Tiene una temperatura superficial de unos 6000 K (5726.85 ºC) Y podemos, en primera aproximación, suponer que es un emisor perfecto (cuerpo negro).

Suponemos que es un cuerpo negro (muy buena aproximación) porque así podemos usar la fórmula de un tal Max Planck que nos dice cuál es la potencia emitida por unidad de área en función de la longitud de onda.

No os hago esperar mas, esta es la fórmula de la emisión de un cuerpo negro:

En realidad esa fórmula hay que modificarla un poco para hablar del color del cielo porque a nosotros no nos llega todo lo que emite el Sol. Para quedarnos con la parte que nos afecta hemos de meter el radio del Sol y la distancia Sol-Tierra. No es un cambio muy chungo.

Esta fórmula tiene una bonita gráfica que nos da la irradiancia, así se llama eso, respecto de la función de onda. Esto nos da cuánta potencia por unidad de área y longitud de onda tenemos. Os presento el especto del cuerpo negro.

Evidentemente, nuestro Sol no es un cuerpo negro perfecto, pero es muy parecido. Aquí os dejo una comparativa de la radiación solar observada respecto a la teórica del cuerpo negro. Eso sí, fuera de la atmósfera.

La atmósfera absorbe en ciertas bandas de longitudes de onda, pero para lo que nosotros queremos hacer no importa para nada. Si te fijas, el pico de la radiación solar está en el rango visible. ¿Casualidad? La evolución es la hostia.

Ya, ya... ¿Y el color del cielo? Esto lo explicó John William Strut (Lord Rayleigh) en 1871.

La idea básica es que si tenemos partículas cargadas y pasa una onda electromagnética, esta carga empezará a oscilar (con aceleraciones) y emitirá radiación electromagnética en todas las direcciones. Se produce un fenómeno de dispersión.

Esto en realidad se tiene que explicar con dipolos eléctricos. Dos cargas de distinto signo unidas de alguna forma. Resulta que en la atmósfera hay moléculas que se pueden polarizar. Es decir, acumulan electrones en algunas zonas y por tanto se pueden ver como dipolos.

Pues bien, Rayleigh encontró que la potencia irradiada en la dispersión depende de la longitud de onda incidente. A menor longitud de onda mayor dispersión. De hecho, va con la inversa de la cuarta potencia de la longitud de onda (con sus constantes que ahora no nos interesan).

La cosa que se suele contar es que entonces el azul se dispersa más que el rojo por tener una longitud de onda menor. Y por tanto el cielo es azul. Y aquí suelen acabar las explicaciones. Pero...

Si aceptamos este hecho entonces tenemos que aceptarlo completamente. Si ponemos la intensidad de la dispersión en función de la longitud de onda sobre el espectro visible encontraremos una sorpresa:

Según esto el cielo no puede ser azul, EL CIELO TIENE QUE SER VIOLETA

¿Qué ha pachao?

Se nos ha olvidado un pequeño detalle. Aquí hemos hablado de longitudes de onda e, implicitamente, las hemos asociado a colores. Eso suele estar bien si hablamos de cosas monocromáticas. En cualquier otro caso tenemos que introducir la forma en la que "vemos" los colores.

Simplificando mucho, la luz entra en nuestro ojo y en la retina se encuentra con fotorreceptores, los conos y los bastones.

Los que nos interesan son los conos que son los que están involucrados en la visión del color. Hay tres tipos de conos, los S, los M y los L. Según sean sensibles a longitudes de onda cortas, medias y largas respectivamente (respecto del espectro visible).

Cada tipo de cono tiene sus particularidades morfológica y moleculares. Pero lo que a nosotros nos interesa es que tienen respuestas distintas dependiendo de la longitud de onda de la luz que pueden excitarlos. La respuesta de cada tipo es:

¡Ojo! (nunca mejor dicho) Con un único receptor no nos valdría porque entonces nuestro cerebro no podría interpretar las señales. ¿Por qué? Pues porque dos longitudes de onda distintas dan lugar a la misma respuesta de un determinado tipo de cono.

La solución es simple, como hay distintos tipos de cono que responde de forma diferente, nuestro cerebro interpreta las diferencias de las respuestas de los distintos tipos de cono e interpreta un color u otro. Con tres tipos de conos ya es la leche.

Hemos de ser conscientes de que los colores son un constructo mental. Por ejemplo, si en mi ojo entra luz con una longitud de onda de 580 nm veré amarillo. Pero claro, si se ilumina una pared blanca con luz verde y roja superpuestas también veré amarillo. ¡El mismo amarillo!

Es decir, que podemos tener la misma percepción del color con combinaciones de luces diferentes. Esto se conoce como metamerismo. En los supermercados las frutas tienen mejo color que en tu casa. ¿Por qué será?

Ahora bien, si tomamos el espectro de luz del cielo (una cosa física), observaremos sus violetas y azules (físicos) muy dispersados pero con otras longitudes de onda por ahí Este es el espectro de dispersión del cielo:

Todas esas longitudes de onda nos entran por los ojos y se activan los conos. Nos podemos preguntar: ¿Qué longitud de onda es equivalente a que recibamos todas esas longitudes de onda? ¿Qué nos dice el metamerismo?

Pues haciendo unas cuentas ni muy fáciles ni muy difíciles podemos responder a esta pregunta y resulta que lo que va a interpretar nuestro cerebro como el color del cielo es lo mismo que si le llegan longitudes de onda entre 470 y 490 nm. Y eso, amigas, amigos y amigues es

Claro, esto solo es válido si el cielo está limpio y solo está actuando el ozono y las moléculas usuales de la atmósfera. En otros casos el color de cielo puede ser muy distinto como ya sabemos.

Y esta es la explicación del porqué "percibimos" el cielo azul.

Pero el cielo es mucho más que su color. Para saber más de cosas del cielo o de nuestra visión os voy a recomendar dos joyas escritas por @aberron. Lean y disfruten



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