PorqueElCieloEsAzul

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¿Por qué el cielo es azul?
Article · September 2017
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Hugo Enrique Ibarra-Villalon
Metropolitan Autonomous University
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¿Por qué el cielo es azul?
Hugo E. Ibarra Villalón
Posgrado en Fı́sica. Universidad Autónoma Metropolitana Unidad Iztapalapa.
San Rafael Atlixco No. 186, Col. Vicentina, Iztapalapa, 09340, México.
Correo: [email protected]
18 de septiembre de 2017
Resumen
Este ensayo académico está dirigido a estudiantes de nivel medio superior y también estudiantes universitarios que
no tienen un área afı́n a fı́sica. El trabajo se centra en responder la premisa de ¿por qué el cielo es azul?, dando
como respuesta que el color del cielo es producto del efecto del esparcimiento de la luz solar en la atmósfera. Al
estudiar este efecto, se comprenderá que en realidad el color del cielo es una mezcla de violeta y azul, sin embargo,
la sensibilidad de nuestros ojos hace que solo percibamos el tono azul del cielo.
1.
Introducción
viajar como una onda electromagnética por el espacio para llegar a la tierra. La luz solar llega a la
tierra en aproximadamente 8 minutos y la luz de
las estrellas puede tardar miles o millones de años
propagándose por el espacio sin perder en gran proporción su energı́a, por esto podemos ver su brillo
de noche, además es tanto tiempo el que viajo la
luz que quizá la estrella ya esté muerta, metafóricamente se dice que el cielo nocturno está lleno de
fantasmas. La luz vista como partı́cula es a partir de
un flujo de fotones, en general la luz tiene este comportamiento en los fenómenos a nivel microscópico
que se dan en la interacción entre la luz y materia,
por ejemplo, en el efecto que hace posible el color
azul del cielo.
Debido a las diversas actividades que desarrollamos dı́a tras dı́a y el estilo de vida tan agitado
de las ciudades, nos queda muy poco tiempo para
reflexionar sobre los fenómenos fı́sicos tan cotidianos que a nuestros ojos pasan desapercibidos, tal es
el caso de saber el porqué del color azul del cielo.
El desconocimiento de esta premisa radica en que se
ha perdido la difusión de este y mucho conocimiento
que pareciera que son triviales, por ello se hace una
invitación al lector para despertar su curiosidad y
transmitir el conocimiento aprendido de este ensayo.
La respuesta del porqué el cielo es azul surge de la
interacción de la luz del sol con la atmosfera, antes
de conocer esta interacción detente a pensar, ¿qué
es la luz?, en términos sencillos se puede definir a la
luz como una radiación que al penetrar a nuestros
ojos permite una sensación visual (Malacara, 2002,
p. 10). Una definición más formal es considerar a
la luz como la energı́a transportada en una onda
electromagnética transversal emitida por las vibraciones de los electrones en los átomos (Hewitt, 2005,
p.497). La esencia de este último concepto se abordará en la sección 2, posteriormente en la sección 3
se dará respuesta a la premisa ¿por qué el cielo es
azul?
2.
La luz que percibimos tiene cierta frecuencia de oscilación2 , definiendo a esta frecuencia como el número de oscilaciones que se producen en un segundo,
estas frecuencias estarán en la región visible del espectro electromagnético. Por lo que cada color de
luz oscilara en un rango de frecuencias, tal y como
se aprecia en la tabla de la Fig.1. En ocasiones se
hace referencia a un color de luz en función de su
longitud de onda, definida con la distancia que hay
entre dos máximos consecutivos de una oscilación.
3.
¿Por qué el cielo es azul?
Para poder comprender la naturaleza del color
azul del cielo, es necesario estudiar un caso general en cómo se da la interacción de la luz con un
gas. En principio, el gas es un estado de la materia
conformado por un arreglo de moléculas que están
muy separadas entre si y ordenadas al azar debido a
que están en constante movimiento. Cuando un haz
de luz incide sobre el gas, se generan vibraciones en
los electrones de las moléculas que producirán luz
(flujo de fotones), con la particularidad de que estas
moléculas re-emitirán fotones en todas direcciones,
estos fotones re-emitidos tendrán la misma frecuen-
La naturaleza de la luz que percibimos
En la actualidad se conoce que la luz está constituida por partı́culas sin masa llamadas fotones, que
se manifiestan en dos formas, la primera es como
una onda electromagnética1 y la segunda como una
partı́cula. La luz que percibimos (luz visible) es una
onda electromagnética, dichas ondas fungen como
un medio de transporte de energı́a que va de una
fuente emisora de luz hasta un receptor, por ejemplo, la luz que genera el sol o las estrellas tiene que
2
La frecuencia de oscilación(vibraciones) de la onda de luz
se debe a que se produjo por las vibraciones de los electrones
en los átomos, a partir de una fuente emisora de luz, es decir,
que la onda de luz adquiere la misma frecuencia que su fuente
emisora.
1
Las ondas electromagnéticas se describen como la vibración de un campo eléctrico y un campo magnético, perpendiculares entre si y ambas perpendiculares a la dirección de
propagación, estos campos se están regenerando entre si para no perder energı́a. Las ondas electromagnéticas de luz se
propagan a una velocidad c=299,792,458 m/s en el vacı́o.
1
Figura 1. Representación del espectro electromagnético en la región de luz visible.
cia que la del haz de luz incidente3 . A este fenómeno naranja y rojo, de hecho, solo las frecuencias de la
se le conoce como esparcimiento de la luz o también luz correspondientes al violeta y al azul son las que
como esparcimiento Rayleigh.
se esparcen en mayor proporción en el cielo. A pesar de que el color violeta es esparcido en una mayor
El color azul del cielo es el resultado de un espar- cantidad que el color azul, nuestros ojos no son sencimiento selectivo de la luz solar en la atmósfera sibles al color violeta del cielo y solo predomina el
(Hewitt, 2005, p. 527). La luz solar es una fuente azul en nuestra visión (Hewitt, 2005, p. 522).
natural de luz blanca que corresponde a una mezcla de los colores que conforman el espectro de luz Los otros colores del espectro visible (amarillo, navisible (violeta, azul, verde, amarillo, anaranjado y ranja y rojo) al tener una frecuencia más baja, tierojo). Por otra parte, la atmósfera es una composi- nen un escaso esparcimiento en la atmósfera, de heción de gases, de los cuales el oxigeno O2 y nitrógeno cho, esta luz se transmite a la tierra en gran proporN2 se presentan en mayor proporción con la propie- ción, por eso siempre dibujamos al sol de un tono
dad de poder absorber luz ultravioleta e infrarroja4 , de color entre amarillo y rojizo. Si pudiéramos estar
pero no absorben la luz visible.
en la luna, en donde no existe una atmósfera que
genera el efecto del esparcimiento de la luz, el sol lo
Cuando la luz solar incide sobre la atmósfera, el verı́amos blanco y el cielo negro.
flujo de fotones de luz cuyas frecuencias están confinadas en el espectro visible, entran en contacto con El color del cielo y del sol a lo largo del dı́a prelas moléculas de oxı́geno y nitrógeno, por lo que se sentan diferentes tonalidades, esto se debe a que va
generara el esparcimiento de la luz, ver Fig. 2. Sin cambiando la posición de la tierra con respecto al
embargo, el color que vemos producto del esparci- sol. A mediodı́a la luz del sol se propaga a través
miento de la luz es únicamente el azul, entonces uno de la menor cantidad posible de atmósfera para alse puede preguntar: ¿Qué paso con los otros colores canzar la superficie terrestre, en este escenario se esdel espectro visible? La respuesta a esta pregunta se parce la luz de alta frecuencia (violeta y azul) y se
dedujo en 1871 con Lord Rayleigh, ya que a partir de transmiten las bajas frecuencias (amarillo, naranja,
un análisis cuantitativo afirmó que la intensidad de rojo) por lo que el sol parece amarillento. Conforme
la luz solar esparcida en la atmósfera es proporcio- pasa la tarde, la posición del sol va cambiando por
nal a su frecuencia elevado a la cuarta (ν 4 ) (Hecht, lo que la luz tendrá que propagarse por una mayor
2017, p.89). Por lo que la luz de mayor frecuencia5 , cantidad de atmósfera de tal forma que el esparcial ser la más intensa, es la luz que se esparce en ma- miento de los colores violeta y azul se va difuminanyor proporción. Esto quiere decir que, si ordenamos do, debido a que el esparcimiento en la atmosfera de
los colores contenidos en la luz solar, el de mayor fre- los colores amarillo, naranja y rojo es prácticamente
cuencia es el violeta seguido del azul, verde, amarillo nulo y ya no se tiene el color azul en el cielo, entonces lo que observamos es un atardecer con un tono
3
Por ejemplo, si se trata de un fotón que tiene una frecuencia que corresponde al color azul, este es absorbido por del sol y del cielo que se vuelven progresivamente
la molécula del gas y se re-emite en una dirección aleatoria más rojos, pasando por el tono amarillo y naranja
con un nuevo fotón de la misma frecuencia correspondiente (Hewitt, 2005, p. 523).
al azul.
4
La atmósfera y la estratosfera (con la capa de ozono)
absorben luz ultravioleta con una longitud de onda que va de
100 a 300 nm, la radiación con estas longitudes de onda es
mortal para la vida, sin embargo, debido a que se absorbe en
un gran porcentaje, solo nos llega una pequeñı́sima cantidad
de esta radiación.
5
La luz de mayor frecuencia también es la luz más energética, ya que la energı́a de los fotones es proporcional a la frecuencia.
4.
Conclusiones
Al responder la premisa ¿por qué el cielo es azul?
uno se pude dar cuenta que su explicación está bien
fundamentada y no se necesita ser una persona especializada en fı́sica para poder comprender el esparcimiento de la luz en un gas, en este caso, con el
2
Figura 2. Representación del esparcimiento de la luz del sol sobre la atmósfera.
esparcimiento de la luz solar en la atmósfera.
Es de gran relevancia enfatizar que estamos limitados por la sensibilidad de nuestros ojos, en especial
por que el cielo es más violeta que azul, sin embargo,
nuestros ojos no nos fallan en ver como el color azul
del cielo toma una tonalidad diferente en las ciudades contaminadas, esto se debe a que las partı́culas
contaminantes reflejan la luz blanca del sol hacia la
atmósfera, observando un tono de gris y azul en el
cielo.
Hay muchos fenómenos de los colores que percibimos debido a la interacción de la luz y materia, tales
como el color de las nubes, el color de los océanos,
la transparencia u opacidad de los materiales, entre
otros. Esperando que este ensayo haya despertado
tu curiosidad, no te detengas en investigar en la bibliografı́a, en internet o con tu profesor de fı́sica la
naturaleza de todos estos fenómenos.
Referencias
[1] Hecht, E. (2017). Óptica (5◦ ed.). Madrid: Pearson Educación.
[2] Hewitt, P. G. (2010). Conceptual Physics (10◦
ed.). San Francisco: Pearson Addison Wesley.
[3] Malacara, Daniel (2002). Óptica tradicional y
moderna (3◦ ed). México: Fondo de Cultura
Económica.
[4] Weisskopf, Victor F. (1968). How light interacts
with matter. Scientific American (219), 60-71
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