La pregunta parece simple. La respuesta lo es, hasta que empezás a tirar del hilo.
El cielo es azul porque la atmósfera dispersa la luz del sol de manera desigual según su color. La luz azul se dispersa mucho más que la luz roja. Esa es la explicación que aprendiste en la escuela y es correcta. Pero deja sin responder tres preguntas que la mayoría de la gente nunca se hace: ¿por qué la luz azul se dispersa más? ¿Por qué el cielo no es violeta, si la luz violeta se dispersa todavía más que la azul? ¿Y por qué el cielo es rojo y naranja al atardecer si el mecanismo es el mismo?
John Tyndall, 1859: el primer experimento
El físico irlandés John Tyndall fue el primero en demostrar experimentalmente por qué el cielo es azul. En 1859 construyó un tubo de vidrio lleno de partículas en suspensión —polvo, humo, pequeñas gotas de líquido— y pasó un haz de luz blanca a través de él. Observó que la luz que salía por los lados del tubo tenía una tonalidad azul, mientras que la luz que llegaba al final del tubo, después de atravesar toda la suspensión, tenía una tonalidad rojiza.
Tyndall entendió que las partículas pequeñas dispersaban más la luz de longitudes de onda cortas —el azul— que la luz de longitudes de onda largas —el rojo. Pero no sabía exactamente por qué.
La respuesta completa llegó doce años después, con Lord Rayleigh.
La dispersión de Rayleigh: por qué el tamaño importa
John William Strutt, el tercer barón Rayleigh, publicó en 1871 la explicación matemática completa del fenómeno que hoy lleva su nombre: la dispersión de Rayleigh.
El mecanismo funciona así. Cuando la luz solar entra en la atmósfera, choca con las moléculas de nitrógeno y oxígeno. Esas moléculas son extremadamente pequeñas —mucho menores que la longitud de onda de la luz visible. Cuando una molécula absorbe un fotón de luz, vibra y emite ese fotón en una dirección aleatoria. Esto es la dispersión.
La parte clave es la siguiente: la eficiencia con la que una molécula dispersa la luz depende de la longitud de onda elevada a la cuarta potencia. La luz azul tiene una longitud de onda de aproximadamente 450 nanómetros. La luz roja tiene una longitud de onda de unos 700 nanómetros. La relación es de aproximadamente 1,56. Elevada a la cuarta potencia, esa diferencia se convierte en un factor de casi 5,6.
En otras palabras: las moléculas de aire dispersan la luz azul unas 5 a 6 veces más eficientemente que la luz roja. Por eso cuando mirás el cielo en cualquier dirección que no sea directamente al sol, ves luz que fue dispersada por las moléculas de la atmósfera —y esa luz es predominantemente azul.
Por qué el cielo no es violeta
Aquí viene el problema. La luz violeta tiene una longitud de onda todavía más corta que la azul —alrededor de 380 nanómetros. Según la fórmula de Rayleigh, debería dispersarse incluso más que la azul. Por lo tanto, el cielo debería ser violeta, no azul.
No lo es por dos razones.
La primera es que la luz solar tiene menos luz violeta que azul. El espectro de emisión del sol no es perfectamente uniforme —produce más fotones en la parte azul del espectro que en la violeta.
La segunda razón es fisiológica: el ojo humano tiene tres tipos de células receptoras de color —los conos— sensibles al rojo, al verde y al azul. Los conos azules responden bien a la luz violeta, pero los conos verdes y rojos también tienen cierta respuesta en esa longitud de onda. Cuando el cerebro procesa las señales combinadas de los tres tipos de conos ante la mezcla de luz dispersada —que incluye azul, algo de violeta y trazas de otras longitudes de onda— interpreta el resultado como azul, no como violeta.
El color del cielo que percibís combina física y neurología.
Por qué el atardecer es rojo y naranja
Al mediodía, la luz solar atraviesa la capa más delgada de atmósfera posible: la que está justo sobre tu cabeza. La distancia es de unos 8 a 10 kilómetros de atmósfera densa.
Al atardecer, el sol está en el horizonte. Su luz tiene que atravesar un ángulo oblicuo de la atmósfera —una distancia que puede ser 10 a 40 veces mayor que la que atraviesa al mediodía. En ese trayecto mucho más largo, la dispersión de Rayleigh tiene mucho más tiempo para actuar sobre la luz azul. Para cuando llega a tus ojos, casi toda la luz azul ya fue dispersada en otras direcciones. Lo que queda —lo que llega directamente del sol— es principalmente la luz que menos se dispersa: el rojo y el naranja.
Es exactamente el mismo mecanismo. La diferencia es la distancia que recorre la luz.
La Luna no tiene cielo: la prueba directa
La demostración más directa de que el color azul del cielo es producto de la atmósfera es la Luna. La Luna no tiene atmósfera significativa. Sin moléculas que dispersen la luz, el cielo lunar —incluso con el sol brillando— es completamente negro. Las fotos del Apollo muestran astronautas parados sobre la superficie lunar con el sol en el cielo y las estrellas visibles al mismo tiempo. En la Tierra, las estrellas son invisibles de día porque la dispersión de Rayleigh llena todo el campo visual de luz azul dispersada.
Tyndall lo intuyó en 1859. Rayleigh lo demostró matemáticamente en 1871. El mecanismo lleva más de 150 años siendo el mismo.
Fuente original: Nature — The physics of why the sky is blue (2019)
