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Hace dos viernes se trató en este blog la cuestión de por qué el cielo tiene color, en lugar de ser negro. Hoy toca, según lo anunciado entonces, explicar por qué ese color es precisamente el azul, en lugar de otro cualquiera. Para entenderlo bien es precisa una reflexión sobre la naturaleza de la luz -eso que los físicos llaman radiación electromagnética-, lo que además puede “dar luz” sobre ciertos hechos de nuestra vida cotidiana. Pero si preferís la versión reducida, podéis saltar el apartado “La radiación electromagnética” e ir directamente a “Fotones viajando a la Tierra”.

LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA

Una de las dificultades que entorpecen la comprensión de este concepto –a mí desde luego me pasó- es que desde pequeños hemos escuchado y usado términos distintos para nombrar fenómenos que son esencialmente iguales. A lo largo de un día podemos calentar la leche en el horno de microondas, oír la radio en un coche cuya velocidad está siendo controlada por radar, hablar por el teléfono móvil, ir al médico a que nos haga una radiografía y ponernos morenos en una cabina de rayos ultravioleta. Al volver a casa, mediante un mando a distancia que funciona con rayos infrarrojos, encenderemos el aparato de televisión y veremos en él imágenes que llegan a nuestros ojos en forma de luz visible. Tal vez os sorprenda saber que en todos esos dispositivos participan manifestaciones de la radiación electromagnética que son esencialmente iguales entre sí. Por decirlo llanamente y con un ejemplo concreto: los rayos X, la luz del día y las ondas que llegan a un receptor de radio o televisión están hechas de lo mismo.

Empecemos por eso que tienen en común. La radiación electromagnética consiste en un flujo de partículas (llamadas fotones) que se propagan a través del espacio transportando energía de un lugar a otro. Cuando ese espacio es el vacío, la velocidad de propagación es de 299.792.458 m/s, es decir, la velocidad de la luz. Ahora bien, estas partículas no se propagan por el espacio de cualquier manera, sino en forma de ondas. Estas consisten en combinaciones de campos eléctricos y magnéticos oscilantes, por lo que reciben el nombre de ondas electromagnéticas, y a su vez dan nombre a la radiación en sí. Si al tratar el tema de la luz en el bachillerato oísteis hablar de la dualidad onda-corpúsculo, el profesor se refería precisamente a esto: un rayo de luz podemos considerarlo como un flujo de corpúsculos o partículas (fotones), pero también lo podemos considerar como la onda asociada a ese fotón, consistente en oscilaciones de campos eléctricos y magnéticos.

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Ahora bien, no todas las ondas electromagnéticas son idénticas. Hemos dicho que su campo electromagnético es oscilante, lo que significa que su intensidad crece y decrece periódicamente. Un campo eléctrico variable genera un campo magnético y, recíprocamente, la variación del campo magnético genera a su vez un campo eléctrico, que a su vez genera uno magnético; en esta sucesión infinita de campos que se generan y se anulan (y de esta manera oscilan) consisten precisamente las ondas electromagnéticas. Al número de oscilaciones por unidad de tiempo se le llama frecuencia de la onda, y a la distancia recorrida entre dos oscilaciones sucesivas se le llama longitud de onda. Naturalmente, existe una relación entre la frecuencia y la longitud: cuanto mayor es el número de oscilaciones por segundo (la frecuencia), menor es la distancia recorrida en cada oscilación (la longitud). También existe una relación entre la frecuencia y la energía: cuanto mayor es la frecuencia, mayor es también la energía transportada por el fotón. Cada onda tiene, por tanto, aparte de otras propiedades en las que no vamos a entrar, una frecuencia, una energía y una longitud propias que la distinguen de las demás.

De esta manera, el fenómeno único de la radiación electromagnética suele dividirse en regiones diferentes que reciben nombres diferentes y conforman el llamado espectro electromagnético. Ordenados de mayor a menor frecuencia (y por tanto de mayor a menor energía, y también de menor a mayor longitud), hablamos de rayos gamma, rayos X, luz ultravioleta, luz visible, rayos infrarrojos, microondas y ondas de radio. Para hacernos una idea de sus longitudes, la radio de nuestro coche recibe ondas de unos centenares de metros cuando sintonizamos una cadena de AM, mientras que al pasar a FM las ondas tienen una longitud próxima a los 3 m. Nuestro teléfono móvil –ese que no debemos manipular mientras conducimos- recibe señales electromagnéticas que rondan los 35 cm. El horno microondas que calienta los alimentos lo hace con ondas de 12 cm. En la zona izquierda del espectro las longitudes son tan pequeñas que cuesta imaginarlas: mientras recorre el espacio de 1 mm en el vacío, un rayo X puede realizar, por ejemplo, 10 millones de oscilaciones, y un rayo gamma de longitud intermedia realizará 5.000 millones. Casi nada.

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Un hecho que tal vez os sorprenda –a mí desde luego me pasó- es que todas las formas de radiación electromagnética, siendo esencialmente iguales, son también teóricamente “visibles”, siempre que uno posea los fotoreceptores adecuados. Y si a cierta región del espectro la llamamos luz visible, es solo porque el ojo humano es sensible a esas longitudes de onda y no a las demás; pero las abejas, por ejemplo, que son ciegas al color rojo, pueden ver en cambio la luz ultravioleta.

cielo-tyre-cameraOtro ejemplo: los equipos de visión nocturna que salen en las películas de acción son sensibles a los rayos infrarrojos que emiten los cuerpos calientes, y resultan muy útiles cuando la cantidad de luz visible es insuficiente para verlos, o a través del humo y la niebla, o desde un satélite. Aplicados a la cámara térmica de la Formula 1, nos permiten “ver” cómo crece y decrece la temperatura de los neumáticos en distintos puntos de un circuito.

FOTONES VIAJANDO A LA TIERRA

El núcleo del Sol es una gigantesca central de fusión nuclear. Los núcleos de los átomos de gas, separados de sus electrones por las condiciones extremas de presión y temperatura, se funden unos con otros, y en este proceso se emiten fotones (con su ondulación electromagnética correspondiente) de una frecuencia y energía extraordinariamente altas y una longitud de onda mínima, que reciben el nombre ya mencionado de rayos gamma. A través de procesos físicos que merecerían un tratamiento más exacto, cada rayo gamma, en su largo y accidentado viaje a la superficie solar, sufre sucesivas degradaciones que lo convierten primero en numerosos rayos X, los cuales a su vez acaban transformándose en miles de fotones de las zonas ultravioleta, visible e infrarroja del espectro electromagnético. De esta manera, las ondas electromagnéticas generadas en el núcleo solar van perdiendo frecuencia y energía al tiempo que aumenta su longitud de onda. Al final de su viaje, las ondas asociadas a los fotones tienen longitudes que van desde los 150 a los 4.000 nanómetros. Centrémonos en uno de estos fotones que, al alcanzar la superficie solar, empieza a viajar en línea recta por el vacío del espacio. Si le ha tocado en suerte salir del Sol en dirección a la Tierra, tardará unos 8 minutos y 20 segundos en recorrer a la velocidad de la luz los 150.000.000 km que lo separan de la atmósfera terrestre.

cielo_azul-Sine_waves_different_frequenciesPero nuestro fotón no viaja solo: ya sabemos que va acompañado por millones de fotones de otras longitudes de onda. Esas longitudes de onda diferentes son percibidas por el ojo como colores distintos; de hecho, los colores de los objetos que estáis viendo en este momento se deben a que cada material absorbe ciertas longitudes, mientras que ciertas otras las refleja. Centrándonos en las emitidas por el Sol, las de entre 150 y 380 nanómetros son rayos ultravioleta no perceptibles por el ojo humano. Si superan los 380 nm, son percibidas como color violeta (380-420 nm), añil (420-450 nm), azul (450-495 nm), verde (495-570 nm), amarillo (570-590), naranja (590-620) o rojo (620-780). Una vez superado ese límite, ya estamos hablando de rayos infrarrojos que el ojo tampoco es capaz de ver. Para que os hagáis una idea de estas longitudes de onda, un fotón de luz roja en el vacío oscilará unas 1.300 veces en el espacio de un 1 mm, mientras que uno de luz violeta lo hará unas 2.600. Debe entenderse que los límites señalados no son exactos: por un lado, los ojos de cada individuo tienen una constitución propia que los hace más o menos sensibles a la luz; por otro, las diferencias de color forman una gama en la que no hay saltos bruscos.

POR QUÉ EL CIELO ES AZUL

Si nos encontrásemos fuera de nuestra atmósfera mirando hacia el Sol, no podríamos percibir individualmente cada fotón de luz solar como un color distinto: al venir mezclados unos con otros, su apariencia de conjunto será blanca. Y, sin embargo, esos colores distintos están ahí, como se demuestra en el fenómeno del arcoíris.

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Al entrar en la atmósfera, las cosas cambian: sabemos por la primera parte de esta entrada (consultable aquí) que una pequeña parte de estos rayos serán dispersados por las moléculas de nitrógeno y oxígeno que forman el aire, dando así color al cielo, mientras que otros llegarán directamente hasta el ojo procedentes del disco solar. Lo que interesa comprender ahora es que no todas las longitudes de onda son igualmente propensas a esparcirse al encontrarse con partículas. Para que una onda de luz sea dispersada por una partícula, la longitud de aquella debe ser igual o mayor que el tamaño de esta. Y aunque las longitudes de onda de la luz visible son todas mayores que las moléculas de nitrógeno y oxígeno de la atmósfera, las longitudes mayores (las próximas al límite rojo del espectro visible por el hombre) son menos propensas a chocar y desviarse, mientras que las longitudes menores (las próximas al violeta) se dispersan más, fenómeno conocido como dispersión de Rayleigh en recuerdo del barón inglés que lo describió. Por eso, las primeras tienden a llegar al ojo directamente desde el disco solar, mientras que las otras (las próximas al violeta) tienden a llegar al ojo desde todos los puntos del cielo, dando la impresión de que es el cielo el que posee ese color.

POR QUÉ EL CIELO NO ES VIOLETA

Aparentemente, esto nos lleva a la conclusión de que el color del cielo será el de la menor longitud de onda perceptible, es decir, violeta. Pero hay dos factores que lo impiden. El primero es que los fotones azules son más numerosos que los violetas en la luz proveniente del Sol. De hecho, el pico de emisión de la luz solar se encuentra en los 475 nm, que es un tono verdoso del azul.

CIELO-CONOS Y BASTONESEl segundo factor es que las cosas no son exactamente del color que las vemos: el ojo humano no percibe la luz como esta es, sino como él la capta mediante ciertas células fotosensibles de la retina, llamadas conos y bastones. Los bastones son células hipersensibles que captan la intensidad de la luz, aunque esta sea baja; los conos, por su parte, son las células capaces de percibir los colores. Concretamente en el ojo humano hay tres tipos de conos, caracterizado cada uno por la presencia de una proteína distinta:

-Los conos dotados de eritropsina (del griego ερυθρός, ‘rojo’) tienen mayor sensibilidad para las longitudes de onda largas, de alrededor de 650 nanómetros (dentro del rango de la luz roja).

-Los dotados de cloropsina (de χλωρός, ‘verde’), para longitudes de onda medias, de unos 530 nanómetros (dentro del rango de la luz verde).

-Los de cianopsina (de κυάνεος, ‘azul’), para longitudes de onda pequeñas, de unos 430 nanómetros (dentro del rango de la luz azul).

Cualquier otro color que estéis viendo en este momento lo percibís por combinación y procesamiento de estos tres tipos de estímulos. En cualquier caso, ya se entiende que, al percibir rayos de luz en la zona violeta-añil-azul del espectro, somos más sensibles a los azules. Otros seres vivos poseen un cuarto tipo de conos sensibles a la luz ultravioleta, como las abejas, a quienes estos conos resultan útiles para alimentarse, ya que algunas flores tienen coloreada en ultravioleta la zona donde se encuentra el néctar.

En conclusión, si no vemos el cielo de color violeta, es no solo porque el componente violeta es menor que el azul en la luz solar, sino también porque nuestros ojos son menos sensibles al violeta que al azul. Color este que veréis en el cielo –ya sé que es mucho pedir, pero así os lo deseo- cada día de las inminentes vacaciones de verano.

Profesor LÍLEMUS

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