Los colores en el cielo (Atardeceres rojos y negras noches)

Esta es una participación en la IX Edición de Carnaval de la Física que este mes el albergado en Experientia docet.
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Siempre me ha fascinado El Principito. Una de las cosas que más gustaba de su planeta chiquito, su asteroide, es que con sólo correr la silla podía ver una y otra vez el atardecer. Hay días en que sería muy bueno poder ver el atardecer 43 veces…

Y es que la caída del sol nos atrae por su belleza, por sus colores, ese sol rojo que se esconde en el horizonte para dejarnos la noche. Inspira desde pasión hasta nostalgia, nos hace pensar… Pero ¿A qué se deben los colores que vemos al atardecer?

Debo iniciar con algo que ya he dicho en otras publicaciones, pero resulta que es muy importante, todas las manifestaciones de color que vemos en el cielo se deben a la manera en que la luz del sol interactúa con la atmósfera. La atmósfera está compuesta por moléculas de diferentes gases, oxígeno y nitrógeno principalmente, pero además tiene partículas de polvo, agua y contaminantes que se encuentran suspendidas flotando en el aire.

Vamos desde el inicio:

La luz es una onda que, al igual que las olas del mar, tienen crestas y valles, la distancia entre dos crestas consecutivas se llama longitud de onda.

La luz que emite el sol contiene todos los colores que el ojo puede ver, esa combinación es lo que los físicos llamamos luz blanca, debido a su apariencia.

Al atravesar un material transparente, cada color contenido en la luz blanca se desviará un ángulo diferente, dando lugar a la separación de la luz donde podemos apreciar los colores del arco iris. Cada color es una onda que tiene una longitud de onda característica que aumenta al ir del violeta al rojo (en el orden de los coleres del arcoiris).

Al llegar a la atmósfera, los rayos de luz solar interaccionan con las moléculas de gas que la forman (podemos pensar que “chocan” con las moléculas) y así van variando su trayectoria en zigzag a través de la atmósfera hasta que por fin llegan a nuestros ojos. A este proceso se llama dispersión de Rayleigh en honor al físico inglés Lord Rayleigh (1842-1919).

Esta interacción luz-moléculas se debe a la relación que hay entre el tamaño de las partículas atmosféricas y de la longitud de onda asociada a cada color y es mayor cuanto más pequeña es la longitud de onda, es decir los rojos y anaranjados casi no se ven afectados y al irnos corriendo hacia el azul cada color sufre más dispersión. Los lectores más fieles recordarán que esta también es la razón por la que el cielo es azul .

El atardecer

Como se puede ver de la figura superior, el camino que la luz solar recorre dentro de la atmósfera es más largo al atardecer que durante el resto del día, al recorrer más distancia los rebotes sucesivos en unas partículas y otras hacen que la luz de longitud de onda más corta (del azul al amarillo) sea dispersada y solo los rayos rojos (los de longitud de onda más larga), siguen un camino casi rectilíneo por lo que llegan en un camino casi directo a nuestros ojos. De ahí el color rojo del sol poniente.

Los colores que luce el cielo en los atardeceres, se originan también por la intervención de las moléculas y partículas que la atmósfera tiene en suspensión pues dispersan la luz solar de diferentes modos. Cuando existe una cantidad anormalmente elevada de contaminación, por ejemplo partículas en el aire debidas a quemas o humo de carros y fábricas, la luz del amanecer y del atardecer es especialmente roja e inclusive violeta.

La noche
Asociamos la oscuridad de la noche con el color negro y con las estrellas en el firmamento.

El color negro de la noche se debe a que a la atmósfera que rodea a quien la observa apenas llega luz y por tanto no se da suficiente dispersión.

Si la tierra no tuviera atmósfera (evitando pensar que es imposible la existencia humana sin atmósferaJ), la luz solar alcanzaría nuestros ojos sin desviación de ninguno de sus colores, no recibiríamos luz dispersada ni difundida y el cielo aparecería tan negro como por la noche ( desde el espacio los astronautas pueden observar durante el día las estrellas, la luna y los planetas debido a que están fuera de la atmósfera).

Los colores de las burbujas de jabón

Las burbujas existen debido a la tensión superficial del agua, la misma propiedad que permite a los zancudos caminar sobre ella, la tensión superficial causa que una capa delgada de agua se comporte como si fuera elástica, aunque, la experiencia nos dice que una burbuja hecha de agua pura se revienta muy rápidamente.

Lo que pasa es que la tensión superficial del agua es muy fuerte y la burbuja no se puede mantener, otro problema del agua pura es que se evapora muy rápido por lo que la superficie de la burbuja se vuelve muy delgada y la bomba se revienta.

¿Por qué existen las burbujas?
Para hacer que la burbuja dure más tiempo le agregamos jabón lo que la estabiliza disminuyendo la tensión superficial del agua (aproximadamente a un tercio de su valor original) haciendo que la elasticidad de la capa de agua aumente. La fina capa de jabón también evita que el agua de la burbuja se evapore y así dure más tiempo.

y... ¿Por qué los colores?

Para entender el porque de los colores en las burbujas es necesario primero aclarar algunas cosas sobre la luz y la manera en que actúa sobre la burbuja:
La luz es una onda, y como las olas del mar, tienen crestas y valles, la distancia entre dos crestas consecutivas se llama longitud de onda. La longitud de onda caracteriza el color de la luz: rojo, naranja, amarillo, etc…

Si se combinan dos (o mas ondas) se tendrá una onda resultante. A esta propiedad se le llama interferencia.

Si al combinarse las crestas de dos o más ondas coinciden en posición (como las ondas amarillo y magenta en la parte superior de la figura) se obtendrá como resultado una onda mas grande, es decir con un efecto mas intenso (onda roja). A este efecto se le llama “interferencia constructiva”.

Si por el contrario, la cresta de una coincide con el valle de la otra (ondas magenta y amarilla en la parte inferior de la figura) se cancelan entre ellas, el resultado cuando dos ondas de luz se cancelan es completa oscuridad, este es el caso de la “interferencia destructiva”.

Si vemos la burbuja, haciéndole un gran aumento, de manera que se pueda apreciar la capa de agua y jabón que la forma es posible ver que de la luz que llega a la burbuja una parte se refleja en la superficie exterior y de la que logra penetrar otra parte se refleja en la superficie interior.

Cuando las dos ondas reflejadas se combinan al salir generan interferencia, constructiva para algunos colores, destructiva para otros, dependiendo del grosor de la capa de agua y jabón que forma la burbuja.

La luz blanca está hecha de todos los colores (de todas las longitudes de onda). Si se sustrae uno de estos colores, por interferencia destructiva por ejemplo, se vería los colores que generan interferencia constructiva.

Esto es lo que sucede en la burbuja, la luz del sol llega a a sus "paredes" y vemos a lucir los colores por la inteferncia.

Se debe tomar en cuenta que el grosor de la pared cambia continuamente porque la gravedad atrae al líquido hacia la parte baja, de manera que normalmente lo que se observan son bandas de color que se mueven hacia abajo.

Al inicio la burbuja tiene las paredes más gruesas que cancelan longitudes de onda roja (más largas), causando una reflexión azul-verde. Conforme pasa el tiempo las paredes se vuelven más finas cancelando el amarillo (dejando luz azul), luego el verde (dejando magenta) y luego el azul (dejando el amarillo).

Finalmente, cuando la pared de la burbuja se hace mucho más fina que la longitud de onda de la luz visible, todas las ondas de la región visible se cancelan unas a otras y vemos la burbuja completamente transparente.

Cuando se observa este estado, la pared es más fina que unos 25 nanómetros, y la burbuja está a punto de estallar.