El azul del cielo y otros efectos opticos

¿Alguna vez has visto la luz del Sol pasando entre nubes gruesas, haciendo hermosos haces hacia abajo?

O cuando te despiertas a la mañana, no has visto pasar los haces de luz a través de la persiana, que se ven rectilíneos hasta que iluminan la pared?

Al principio, no parece nada extraño, salvo un detalle: un haz de luz no debería ser visible. Solo se ve cuando pega contra un objeto fisico. Para probarlo, si tenes un láser rojo, apaga la luz, e iluminá la pared: el láser no se ve hasta que choca contra la pared o algún objeto físico.

Entonces, como se ven esos haces de luz????

Para entenderlo, primero tenemos que ver algunas cosas.


Los coloides.

Un coloide es la suspensión de partículas pequeñas en un medio. Estas partículas pueden ser sólidas, liquidas o gaseosas. El medio donde están suspendidas también puede estar en cualquiera de las tres fases.

Todos estamos en contacto con coloides a diario, sin saberlo.

Por ejemplo:


Si las partículas son sólidas, y el medio gaseoso, estamos en presencia de humo, como el de los cigarrillos.
Si son liquidas en gas, es niebla o un spray. Una emulsión es un coloide liquido-liquido, como la mayonesa.

¿Pero que diferencia hay con una solución? Si recordas lo que viste alguna vez en química, una solución es una suspensión de moléculas en un medio. Parece la misma definición que la de un coloide, pero no lo es: la diferencia es el tamaño de las partículas suspendidas: en un caso (la solución) son moléculas, del orden de tamaño de millonésimas de milímetro. En el otro, las partículas son cientos o miles de veces mayores.

Esta pequeña diferencia, produce efectos observables. Por ejemplo si coloco en un vaso con agua un poco de sal (solución), y en otro agua con unas gotas de leche (coloide) e ilumino ambos vasos con un láser, la solución común no mostrará el haz de luz atravesándola (la sal), en cambio la leche si.

Puede verse claramente el efecto Tyndall. El vaso de la derecha contiene la solucion, mientras que el de la izquierda contiene el coloide. El haz del laser solo se ve en este ultimo vaso.

Este fenómeno se llama efecto Tyndall, y es la dispersión de la luz al atravesar de un coloide. Se puede utilizar justamente para distinguir coloides de soluciones.

Como funciona?

El coloide tiene partículas de un tamaño mucho mayor que las de una solución -que de tamaño molecular-, por lo que la luz ilumina las pequeñas partículas, haciéndolas visibles. Esto lo hace mas aun cuando las partículas son del orden de tamaño de la longitud de onda de la luz, cuando mas que reflejar, dispersan la luz incidente.

Diagrama sobre como funciona el efecto Tyndall. Las ondas representan haces de luz. El moteado de fondo las moleculas. El haz que esta mas a la izquierda, atraviesa las moleculas sin dispersion. El que esta a la derecha es dispensado por la particula en suspension. 

Ahora podemos responder porque se ve la luz entre las nubes: están iluminando la niebla suspendida. En el caso de la luz entrando por las persianas, están iluminando las partículas sólidas suspendidas en el aire.

Las partículas de un coloide son tan pequeñas que el choque continuo con las moléculas del medio es suficiente para mantener las partículas en suspensión. El movimiento al azar de las partículas bajo la influencia de este bombardeo molecular se llama movimiento browniano.

Se ve el efecto Tyndall en otros fenómenos meteorológicos o astronómicos?

Si. En varios.

La luz zodiacal y todos los fenómenos asociados.

A veces, en una noche muy oscura, puede observarse una pirámide de luz cerca del horizonte, centrada en el Sol. No es fácil de ver, porque es más débil que la Vía Láctea.

Fotografia de la luz zodiacal.

Este 'triángulo' se llama luz zodiacal. Se debe a una nube de partículas que rodea al Sol, en el plano del Sistema Solar. En la imagen de arriba, puede verse entre las estrellas abajo, detras de la linea roja, que es la ecliptica (el plano del Sistema Solar). Arriba puede verse la Via Lactea. Note que es mas debil que esta.

Su origen se debe a colisiones de partículas mayores, o a los restos que quedan de los pasos de los cometas.
Estas partículas interplanetarias, aunque no son un coloide tradicional, producen el efecto Tyndall de la luz solar en ellas. Dispersan la luz del Sol, y se hacen visibles.

La Cola y Anticola de los cometas.

Los cometas tienen dos tipos de colas; una es de gas y la otra de polvo. La de polvo se hace visible fundamentalmente por el efecto Tyndall.

A veces los cometas muestran un apéndice por delante de la cabeza, como señalando al Sol, y el sentido opuesto de la cola. En este caso el efecto Tyndall es la dispersión sobre las partículas del cometa que están por delante de él, y que se suman porque las vemos de costado, en el momento que la Tierra pasa por el plano de la orbita cometaria.

Imagenes de un cometa en distintos momentos. En la segunda y tercer imagen, tiene una anticola muy desarrollada, hacia la derecha, en el momento en que la Tierra pasaba por el plano de su orbita.

El color del cielo.

Aunque no es exactamente el efecto Tyndall, el color del cielo se debe a un fenomeno muy parecido denominado dispersion de Rayleigh.

¿Por qué el cielo es azul? La gente ha estado haciendo esta pregunta durante siglos. Los científicos generalmente aceptan la explicación de cielo azul propuesta por primera vez por el Lord Rayleigh, un físico y matemático británico de finales de 1800.

la teoría de Rayleigh era única.

Estaba de acuerdo con otros científicos de la época que el polvo y otras grandes partículas en la atmósfera podría dispersar la luz, (como el efecto Tyndall) pero tomó este concepto de la dispersión en la atmósfera un paso más allá.

Rayleigh concluyo que la luz que viaja desde el Sol al observador, puede ser dispersada fundamentalmente por las moléculas de nitrógeno y oxígeno en la atmósfera, incluso en un ambiente sin humo ni polvo.

Las moléculas de gas (in extenso, cualquier particula de menos de 1/10 de la longitud de onda) pueden redirigir la luz solar y la dispersan en muchas direcciones.

Cuando la luz solar, que esta formada por todos los colores, se encuentra con las moléculas de gas en la atmósfera, la luz azul de alta frecuencia es la que mas se dispersa, y da el color azul del cielo.

De hecho dado el origen del color, cualquier atmosfera produce salvo raras excepciones, color azul. El cielo desde Marte o Jupiter se ve de color azul desde la superficie. El de Marte en las fotografias se ve rojizo por el polvillo marciano en suspension, pero en realidad es azul.

El obsevador 1 tiene el Sol muy alto sobre el horizonte, y la dispersion de la luz azul es muy grande, por lo que el cielo se ve de ese color. Para el observador 2, en cambio, la luz azul ya ha sido dispersada, llegandole mayormente el color rojo. Este el motivo de los crepusculos rojizos.

Para la atmósfera, esta máxima dispersión está en el color azul, y por eso vemos el cielo de ese color.

Cuando el Sol está cerca del horizonte, la luz azul ya ha sido dispersada, y lo único que nos llega es el rojo. Por eso los atardeceres y amaneceres son de color rojizo.