Los colores en el cielo (¿Por qué el cielo es azul?)

Los colores que vemos en el cielo se deben a la manera en que interactúan la luz y la atmósfera, la cual esta formada por diferentes gases y partículas de polvo, agua, ceniza, y diferentes contaminantes. Estos componentes son suficientes para generar diferentes manifestaciones de color en el cielo.

La luz blanca

Las ondas de luz, igual que las olas del mar, tienen crestas y valles, la distancia entre dos crestas consecutivas se llama longitud de onda.

La luz blanca es la combinación de todos colores que ojo puede ver.

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.

Rojo, naranja, amarillo, verde, azul y violeta a cada uno de los cuales asociamos una onda característica. La longitud de onda de cada uno de estos colores aumenta al ir del violeta al rojo.

El cielo azul

La luz que emite el sol es luz blanca que viaja por el espacio hasta llegar a la atmósfera terrestre.

En la atmósfera, los rayos de luz interaccionan con las millones de moléculas de gas que hay en el aire, podemos pensar que “chocan” con estas y así van variando su trayectoria en zigzag a través de la atmósfera hasta que por fin llegan a nuestros ojos. Esta interacción se debe a la relación que hay entre el tamaño de las partículas atmosféricas y la longitud de onda asociada a cada color y es mayor cuanto más pequeña es la longitud de onda, por eso los rayos azules y violetas se ven más afectados que los de los otros colores.

A este proceso se llama dispersión de Rayleigh en honor al físico inglés Lord Rayleigh (1842-1919).

El es cielo azul, el sol amarillo

Cuando vemos hacia arriba la luz azul no parece venir directamente del sol, si no que vienen de todas partes del cielo. De ahí que el cielo nos parezca azul y el sol amarillo, pues los rayos amarillos y rojos son poco desviados y van casi directamente en línea recta desde el sol hasta nuestros ojos.

Vemos, que nuestro cielo azul y nuestro sol amarillo, a los que estamos tan acostumbrados, son el resultado de la dispersión de Rayleigh, pues desde el espacio, donde no hay atmósfera, el Sol se ve blanco y el cielo absolutamente negro.

En resumen:

El color azul del cielo se debe por tanto a la mayor difusión de las ondas cortas. El color del sol es amarillo-rojizo y no blanco, porque si a la luz blanca procedente del Sol -que es suma de todos los colores- se le quita el color azul, se obtiene una luz de color amarillo-roja

El color del cielo, debería ser violeta por ser ésta la longitud de onda más corta, pero no lo es, por dos razones fundamentalmente: porque la luz solar contiene más luz azul que violeta y porque el ojo humano es más sensible a la luz azul que a la violeta.

La dispersión producida por los gases es muy débil, y por eso no la notamos normalmente si por ejemplo prendemos un foco o una luz, sin embargo, cuando el espesor de gas es muy grande, como sucede en la atmósfera, fácilmente se puede observar la luz dispersada.

Sentido del humor científico en televisión: el efecto Doppler

(Imagen ilustrativa tomada de este enlace)

Recientemente me llama mucho la atención como una serie de televisión basada en el día a día de un grupo de jóvenes científicos, "The Big Bang Theory" (CBS),  ha ganado popularidad. Al principio pensé que la serie no tendría mayor futuro, después de todo muchas de las situaciones graciosas tenían un fondo científico y un contexto académico. Pronto descubrí que en realidad las situaciones que experimentan los personajes son graciosas para muchas personas desde muchos puntos de vista, aunque muy probablemente por motivos muy diferentes a los míos o de mis colegas. Sin embargo, creo que esta es una excelente oportunidad para explicar algunos conceptos físicos que podrían ayudar a que todos nos riamos de las mismas cosas.  Para quienes siguen la serie, ¿recuerdan aquel capítulo en el que los protagonistas asisten a una fiesta de disfraces en el apartamento de Penny? Los disfraces escogidos por ellos (después de decidir que ninguno se vestiría de Flash) fueron: Thor, Frodo, Robin Hood y....el efecto Doppler.  Pero,  ¿saben uds. qué es el efecto Doppler, y porqué Sheldon insistía en hacer ruidos como los de un auto que se acerca y luego se aleja para intentar dar pistas sobre su motivo de disfraz? Pueden revivirlo en este enlace.

Primero debemos entender lo que es el sonido. El sonido es una vibración del medio (aire, agua entre otros) que se propaga como una perturbación del  mismo. La perturbación en el medio es una compresión en el sentido en que se propaga el sonido. Para dar origen a la compresión de una región del medio es necesaria la rarefacción de las regiones vecinas.  Es como tener un resorte: para comprimir un región, estiramos otra. Así, podríamos describir el sonido como una alternación periódica de regiones densas y menos densas a través del medio. Este es justamente el concepto de una onda longitudinal. En una publicación anterior, Natalia escribió sobre otro tipo de ondas, las transversales, ver este enlace. 

Si colocamos una membrana en el camino de la onda , el cambio de densidad del aire debido al sonido (compresión-rarefacción) causaría la vibración de la membrana. Este el es principio de funcionamiento de nuestro oído, el cual tiene la capacidad de convertir las vibraciones del tímpano en impulsos eléctricos que pueden ser interpretados por nuestro cerebro . Note que para que exista sonido es necesaria la existencia de un medio. Es decir, contrario a lo que sucede en algunas películas de ciencia ficción, en el vacío no hay sonido. (imagen tomada de este enlace).

Para entender el efecto Doppler, imaginemos que el sonido son como las ondas que se forman en un estanque cuando se arroja una piedra. Si estuviéramos  en una balsa anclada en algun lugar del estanque, podríamos medir el tiempo que dura cada onda en llegar hasta la balsa. Si ahora la balsa avanza hacia el origen de las ondas, el tiempo que  mediríamos entre una onda y otra sería menor.  Decimos entonces que la frecuencia con que percibimos las ondas aumenta. En el caso contrario, cuando la balsa se aleja del punto de inicio de las ondas, el tiempo entre la llegada de las ondas sería mayor, es decir, disminuye la frecuencia con que percibimos las ondas. Lo mismo ocurriría si el punto donde se originan las ondas se moviera hacia nosotros, como en la figura a la izquierda, en la cual vemos una compresión de las ondas hacia la dirección en que se mueve la fuente y una rarefacción en la dirección en que se aleja.  Este cambio de la frecuencia en función del movimiento de la fuente y/o del observador se llama efecto Doppler ( llamado así por el austríaco Christian Doppler). Y por este motivo el disfraz de Sheldon tiene líneas (representando ondas) cuya separación aumenta o disminuye (representando ese aumento o disminución de la densidad de ondas). En el caso del sonido, ese cambio de frecuencia se percibe como un cambio en el tono que escuchamos. Esta es la razón por la sirena de una ambulancia que se acerca se oye diferente a la sirena de una ambulancia que se aleja. De ahí el hecho de que Sheldon intente dar pistas sobre el motivo de su disfraz imitando el sonido de un auto que se acerca y luego se aleja. (imagen tomada del enlace http://users.camk.edu.pl/jkliment/dwarf.html).

El efecto Doppler ocurre también en otros tipos de ondas, como la luz. En astrofísica, el efecto Doppler se conoce como corrimiento al rojo y ha permitido determinar que los objetos en el Universo se alejan unos de otros. Este efecto es también el que se utiliza en los radares diseñados para medir la velocidad de los autos en las carreteras.

Por último cabe decir, como apreciación personal de quien escribe este post, que en general los chistes de contexto científico en esta popular serie de televisión están muy bien fundamentados. Es imposible no notar que quien los escribe sabe de qué está hablando. Incluso, los detalles como las ecuaciones y diagramas escritos en las pizarras que forman parte de la escenografía son correctas. Así que esta es una oportunidad para reír y al mismo tiempo aprender ciencia.