De relámpagos y truenos: luz y sonido en el cielo (parte 2)

(Ilustración tomada de este enlace)

Los fenómenos naturales en general son sin lugar a dudas muestras impresionantes de la fuerza de la naturaleza: desde los más violentos como las erupciones volcánicas y terremotos hasta los más pacíficos como los atardeceres y los eclipses. Uno de ellos que vivimos con bastante frecuencia y común a (yo diría) todas la latitudes es el de las tormentas eléctricas. Y si no, hechemos un vistazo a las mitologías de diferentes culturas, casi todas tienen una deidad asociada a los relámpagos, truenos y lluvias: Tlatloc (azteca), Zeus (griega), Jupiter (romana), Thor (nórdica) para mencionar algunos ejemplos.

La primera parte de esta publicación trató sobre el relámpago. Este es la luz que se produce cuando el aire entre dos puntos con cargas opuestas se ioniza y permite el paso de corriente eléctrica. Este fenómeno es el mismo que se produce en una lámpara de esas que usamos cotidianamente: la corriente para por un filamento, se produce calor y luz debido al movimiento de las cargas eléctricas en el alambre.  Pero todavía no hemos hablado de otra característica tanto o más impresionante que el destello luminoso: el sonido asociado a esta descarga eléctrica en la atmósfera. Ese estruendo pavoroso que muchas veces de niñ@s nos hacía terminar escondid@s debajo de la cama con nuestras mascotas...

Recordemos que durante la descarga, el aire que se ioniza alcanza altas temperaturas. Y cuando digo altas, me refiero a temperaturas cercanas a los 30 mil grados centígrados. Cuando el aire se calienta su densidad disminuye. Por cierto, esta es la razón por la cual el aire caliente en una habitación tiende a subir, y es por esto que durante un incendio se recomienda tirarse al piso para respirar menos humo y buscar el aire menos caliente.  Ese calor se propaga por el aire circundante, y con él el cambio de densidad. ¿Has estado alguna vez en un estadio, para un juego o un concierto, y has sido parte de una "ola"? Bueno, es exactamente igual. En la ola lo que se propaga es el movimiento de los brazos de las personas. En este caso, lo que se propaga es ese cambio de densidad en el aire. Pero el aumento de la densidad en una región implica que en las regiones adyacentes la densidad disminuye. Es como tener un resorte: so comprimimos una parte, las regiones a la par se estiran, como se muestra en la figura a la izquierda (tomada de este enlace).  Esta perturbación (cambio de densidad) se propaga en el medio (aire) y justamente son las que producen sonido. Así como las personas en las olas mueven sus brazos para hacer la ola, las moléculas del aire se mueven para poder hacer que los cambios de densidad se propaguen en el aire. Al alcanzar nuestros oídos, el movimiento del aire hace vibrar la membrana del tímpano y nuestro sistema nervioso se encarga de interpretar esa información. Este tipo de perturbación es lo que se conoce como onda longitudinal.

Tenemos entonces dos fenómenos asociados a la descarga eléctrica de la que venimos hablando: el relámpago, que es la luz, y el trueno que es el sonido. Pero aunque estos fenómenos ocurren al mismo tiempo, nosotros generalmente los percibimos con una diferencia de tiempo entre ambos: primero vemos el relámpago y después oímos el trueno. Esto sucede porque la velocidad de la luz es mucho mayor que la velocidad del sonido. De hecho, la luz viaja tan rápido, que prácticamente vemos el relámpago en tiempo real. El sonido es un poco más lento, y por eso no es raro que oigamos el trueno algunos segundos después de haber visto el relámpago. Cuantos segundos depende de la distancia entre el lugar donde ocurrió la descarga y el lugar donde estemos. De hecho mucha gente acostumbra contar los segundos de diferencia entre el relámpago y el trueno, y multiplicar ese tiempo por la velocidad del sonido en el aire: aprox. 343m/s  para obtener así la distancia en metros hasta el lugar donde cayó el rayo. Para los más osados: si no tenemos una calculadora cerca, y no deseamos hacer esta multiplicación a mano, podemos usar este truco: 343 m/s = 0.343 km/s que se puede aproximar como 1/3 km/s. Entonces el tiempo lo multiplicamos por 1/3, que es lo mismo que tomar ese tiempo y dividirlo por 3. Esto nos dará la distancia (aproximada) en kilómetros.

Nubes blancas como el algodón

Cuando hacemos pasar un haz de luz por un prisma se descompone en los colores del arco iris, es decir, la luz blanca contiene todos los colores que podemos ver. Debemos recordar que la luz es una onda y que a cada color le corresponde una longitud de onda determinada.

Cuando vemos algo de color blanco lo que físicamente está sucediendo es que estamos viendo todos los colores al mismo tiempo, si a nuestros ojos llegan al mismo tiempo todas las longitudes de onda nuestro cerebro interpreta esta información como el color blanco. De ahí la definición de blanco (que me molestaba tanto cuando estaba pequeña) como la presencia de todos los colores.

Existe más de una manera de descomponer la luz, el prisma es la primera que se nos viene a la mente, pero también en ciertas ocasiones el agua puede funcionar como prisma, y para ejemplo está el arco iris, y hasta nuestra atmósfera afectan la luz que nos llega del sol. Las diminutas partículas de gas que la forman la atmósfera, principalmente oxígeno y nitrógeno, tienden a dispersar con mayor eficacia las longitudes de onda más cortas (que corresponde a los colores violetas y azules) que las largas, por eso vemos el cielo es azul y el sol amarillo. Este efecto es conocido como dispersión Rayleigh, si desea conocer el detalle puede visitar el artículo ¿Por qué el cielo es azul?

Nube blanca, nube gris.

Las nubes están formadas por vapor de agua y por pequeñísimas gotitas agua que aún no tienen el tamaño suficiente para caer como lluvia. Cuando la luz alcanza a las gotitas estas la esparcen pero a diferencia de las moléculas de oxígeno y nitrógeno, las gotas dispersan por igual y en todas las direcciones la luz de todos los colores, ¡Por eso vemos las nubes blancas!

¿Por qué? Es una cuestión de tamaños, la moléculas del gas atmosférico son de un tamaño menor al de la longitud de onda de la luz de los diferentes colores eso hace que su mecanismo de interacción sea el de la dispersión Rayleigh, en cambio las gotitas de agua son más grandes por lo que no “eligen” unas longitudes de onda sobre otras, si no que dispersan de igual manera todas las ondas visibles.

Cuando la luz interactúa con partículas de tamaños mayores a su longitud de onda entra en acción un mecanismo llamado Difusión de Mie. Esta es también la razón por la que los granos de sal y azúcar son blancos.

Pero… no todas las nubes son blancas como el algodón ¿Cómo se explican entonces las nubes de lluvia?

Una nube de lluvia es mas gruesa y tiene muchas más gotas de agua que además son más grandes. Comparada con una nube blanca la de lluvia es más densa y a la luz le cuesta más atravesarla. Para entenderlo podemos usar un lámpara y servilletas, si desdoblamos una y la ponemos tapando el del bombillo encendido pasará luz a través de la servilleta, si seguimos agregando una capa de servilletas después de otra cada vez pasará menos luz hasta que después de poner muchas ya ninguna luz logrará atravesarlas. El resultado es la atenuación de la luz blanca hacia grises cada vez más oscuros. Esta es la causa de que en los días muy nublados, el cielo aparezca más o menos gris, y cuando la lluvia es inminente casi negro.