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barco-en-una-playaLa pregunta “¿Por qué el cielo es azul?” es una de las cuestiones científicas que más a menudo nos planteamos los profanos. Y también una de las que peor nos respondemos: seguro que habéis oído decir que el cielo refleja el color azul del mar y otras cosas por el estilo. Hace unos años me picó la curiosidad y anduve buscando respuestas a esta pregunta. Cuando las encontré, las puse por escrito más o menos como a mí me habría gustado que me las contaran. Y ahora que ha empezado el verano me ha parecido momento oportuno de traerlas aquí. A un profesor de Literatura en su primer día de vacaciones le puede dar por cualquier distracción: a mí me ha dado por jugar a ser profesor de Física. Por cierto, si hay físicos de verdad al otro lado, les agradeceré comentarios y sobre todo correcciones.

Como me temo que el asunto es demasiado amplio y denso, me vais a permitir que divida la respuesta en dos entradas: la primera explicará por qué el cielo diurno tiene color -un color cualquiera- en lugar de ser negro; y tal vez en un par de semanas, una segunda entrada explicará por qué ese color es precisamente el azul, y no cualquier otro.

POR QUÉ EL CIELO DIURNO NO ES NEGRO

Para empezar, os invito a poneros cómodos y a despertar en vosotros la primera cualidad de un buen científico: la imaginación. Con la imaginación vais a viajar a una playa paradisíaca, en la que habitáis un acogedor bungalow. Os habéis despertado un rato antes del amanecer y os ha dado por salir a contemplar el cielo nocturno. La noche está totalmente despejada y os encontráis arrellanados en vuestra tumbona favorita para evitar dolores de cuello, que siempre resultan molestos incluso imaginados. Desde la tumbona, envueltos en una cálida manta, podéis observar diversas fuentes de luz: miles de estrellas, los luminosos planetas, alguna galaxia lejana, el río de mágica blancura de la Vía Láctea, y tal vez hasta la romántica Luna, que, si es visible a esta hora, se encontrará sin duda en su romántica fase menguante. Todos los demás puntos del cielo, donde no hay fuentes que emitan o reflejen luz, son de color negro. Ahora bien, sabemos que, pasado un rato, antes incluso de que el Sol aparezca en la línea del horizonte, el cielo se volverá progresivamente de color azul. La pregunta que debemos hacernos en este punto es: ¿Por qué el cielo no sigue oscuro al hacerse de día? Ya sé que parece una posibilidad descabellada, pero enseguida veremos que no lo es tanto. La historia de la ciencia no es solo la de quienes han respondido a las grandes preguntas, sino muy especialmente la de quienes tuvieron la originalidad de formularlas. Al hacernos una pregunta nos convertimos en descubridores de un territorio; cuando por fin la respondemos, nos limitamos a colonizarlo.

Para seguir avanzando, os voy a pedir un segundo ejercicio de imaginación: vais a visualizar en la mente justo esa posibilidad descabellada. Seguís en vuestra tumbona mirando el cielo. Imaginad ahora que, al despuntar el Sol sobre el horizonte, su luz iluminase vivamente los acantilados próximos a la playa, las paredes del bungalow, la arena que pisáis, vuestras propias figuras, pero no el cielo, que permanecería oscuro. Estáis sintiendo el calor del Sol, cuyo disco se eleva más y más en un firmamento negro. La manta hace rato que os sobra y está tirada por el suelo, desplegando a la vista cada tono de su dibujo escocés. Podríais leer cómodamente y hasta poneros morenos, pero la vegetación de los acantilados -de un verde luminoso- se recorta contra un cielo oscuro y estrellado, y el pacífico mar de glaucas aguas termina en un horizonte oscuro y estrellado. Ya sé que este contraste entre suelo luminoso y cielo negro contradice nuestra experiencia cotidiana y tal vez os esté dejando desconcertados y hasta inquietos, pero no es imposible de representarse. Si lo pensamos bien, todo lo que sucede es que cada rayo de luz que llega a nuestros ojos viene directamente de la fuente que lo emite o lo refleja.

Cielo negro

De hecho, es justo eso lo que nos pasaría en la realidad si estuviéramos en la superficie de la Luna. Para un observador lunar, las dos semanas que dura la noche deben de ser una experiencia irrepetible: las estrellas se ven entonces con una luminosidad y nitidez inimaginables, y el río de la Vía Láctea invita sin resistencia posible a un verdadero chapuzón cósmico; además, si el observador se encuentra en la cara que mira a la Tierra, nuestro querido mundo estará visible en alguna de sus fases (siempre en la complementaria: tierra creciente si la luna es menguante, tierra llena si la luna es nueva) y bellísimo no solo por el colorido de mares, selvas, desiertos y masas de nubes, sino sobre todo por su tamaño (el diámetro terrestre es 3,7 veces mayor que el lunar) y por su luminosidad (la Tierra refleja el 37% de la luz que recibe, frente al escuálido 7% que refleja la Luna). Ahora bien, todos aquellos puntos del cielo donde no haya objetos capaces de emitir luz (las estrellas y galaxias) o reflejarla (los planetas y la Tierra) aparecerán perfectamente negros.

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La Tierra vista desde la órbita lunar. He añadido una falsa Luna a escala.
 

Lo curioso es que, al salir el Sol sobre el horizonte lunar, cosa que sucede una vez al mes, la luz del día podrá posarse sobre la superficie, iluminando las rocas, llanuras y cordilleras con una nitidez desconocida en la Tierra, pero seguirá sin encontrar en el vacío del espacio ninguna materia donde posarse, por lo que este permanecerá oscuro en pleno día: las estrellas, galaxias y planetas serán visibles contra un firmamento negro, aunque considerablemente debilitados por el fuego cegador de nuestra estrella. Esta visión dejó a los astronautas de las misiones Apollo desconcertados y sobrecogidos, y cambió sus vidas para siempre. Buzz Aldrin, un instante antes de convertirse en el segundo hombre en pisar la Luna, la describió con dos palabras: “Magnificent desolation”.

Luna-a17eva3

El panorama recién descrito tiene una explicación: la Luna carece de atmósfera, por lo que los rayos solares llegan a su superficie atravesando el vacío en línea recta desde su fuente de luz: el Sol. La Tierra, en cambio, sí posee una atmósfera gaseosa, y los rayos de luz solar, al entrar en ella, ya no tienen asegurado el poder difundirse libremente siguiendo una línea recta, pues se encuentran a cada paso con las moléculas de nitrógeno y oxígeno que forman el aire. Estas moléculas son capaces de desviar una parte de los rayos solares, haciendo que cambien de dirección. Dicho con mayor propiedad, los electrones de las órbitas externas de las moléculas de nitrógeno y oxígeno absorben la energía del rayo (hasta dentro de dos semanas no quiero usar el término fotón) y la reemiten en una dirección aleatoria.

En este punto va a ser preciso un último ejercicio de imaginación. Imaginad un rayo de luz que acaba de entrar en la atmósfera terrestre y, tras ser desviado de su trayectoria por una de esas moléculas, cambia de dirección e impacta en una segunda molécula. Un observador situado en la posición que ocupa la primera molécula verá el rayo procedente del disco solar, mientras que otro situado en la posición de la segunda molécula lo verá procedente de la primera y no del disco solar. Naturalmente estos desvíos se producen una y otra vez hasta que el rayo llega al suelo, dando como resultado una línea quebrada que termina impresionando nuestra retina. Lo que interesa entender aquí es que en ese momento final el rayo ya no procede de la línea visual que nos une con el disco solar, sino de la que nos une con la última molécula de aire que lo ha desviado. Y al proceder de allí, es ese punto del cielo el que vemos iluminado.

Dispersion de la luz-3

Si generalizamos este modelo, tendremos que una parte importante de los rayos solares abandonan la línea recta al entrar en la atmósfera de la Tierra y resultan dispersados en todas direcciones. Debo advertir que la Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales recomienda el uso del término esparcimiento, pero he visto que los profesores tienden a hablar de dispersión. En cualquier caso, al dispersarse o esparcirse algunos de sus rayos de luz, el disco solar que vemos desde la superficie “pierde” una parte de su radiación y se la “cede” al resto del cielo. Así que, cuando este verano os encontréis a menudo admirando un bello cielo azul, recordad que estáis viendo rayos solares procedentes de todos los puntos del cielo y no solo del disco solar, y que es esto lo que hace que todo el cielo aparezca iluminado.

Y hasta aquí esta primera parte (“Por qué el cielo diurno no es negro”), en la cual he evitado tecnicismos tales como radiación electromagnética, fotón, frecuencia y longitud de onda, con la sana intención de no hincharos la cabeza. Pero me temo que en la segunda parte (“Por qué el cielo diurno es azul”) no podré ser tan benévolo, así que dentro de dos viernes ya podéis presentaros aquí con la aspirina tomada. Feliz semana.

Profesor LÍLEMUS

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