En un día despejado, al levantar la vista, el cielo siempre se ve azul. Pero si la luz solar es luz blanca compuesta por varios colores y el aire es transparente, ¿por qué el cielo se ve precisamente azul? También cabe preguntarse por qué ese mismo cielo se tiñe de rojo al atardecer. El fenómeno físico que explica ambas escenas es la dispersión de Rayleigh (Rayleigh Scattering).
En términos sencillos, la dispersión de Rayleigh es el fenómeno por el que la luz se dispersa en todas direcciones al chocar con partículas mucho más pequeñas que su longitud de onda, en particular con las moléculas de nitrógeno y oxígeno del aire. Cuanto más corta es la longitud de onda, mucho más se dispersa la luz. El fenómeno lleva el nombre del físico británico lord Rayleigh (Lord Rayleigh, cuyo verdadero nombre era John William Strutt), que formuló matemáticamente esta relación en 1871.
En este artículo veremos, en orden, qué es la dispersión de Rayleigh y cómo se descubrió, por qué la dispersión varía con la longitud de onda, cómo se aprecia en ejemplos sencillos como el cielo al atardecer y las nubes, y qué aplicaciones tiene en la vida cotidiana y en la tecnología.
Cómo se dispersa la luz al chocar con las moléculas del aire
¿Qué es la dispersión de Rayleigh?
Cuando la luz atraviesa un material, parte de ella se desvía de su dirección original y se propaga en distintas direcciones. Este fenómeno se llama dispersión. La forma en que se dispersa la luz depende en gran medida de la relación entre su longitud de onda y el tamaño de las partículas. Se habla de dispersión de Rayleigh cuando el tamaño de las partículas es inferior a aproximadamente 1/10 de la longitud de onda.
- Dispersión (Scattering). Es el fenómeno por el cual la luz cambia de dirección al encontrarse con una partícula y se propaga en todas direcciones. A diferencia de lo que ocurre en la absorción, la luz conserva su energía y solo cambia de dirección.
- Partícula dispersora (Scattering Particle). En la dispersión de Rayleigh, esta función corresponde principalmente a las moléculas de nitrógeno y oxígeno que componen el aire. El tamaño de estas moléculas es mucho menor que la longitud de onda de la luz visible (entre unos 380 y 750 nm).
La primera pista surgió en el laboratorio. En 1869, John Tyndall observó que, al iluminar con luz intensa aire con partículas muy pequeñas en suspensión, la luz dispersada adquiría un tono azulado. 2 años después, Rayleigh describió el fenómeno mediante ecuaciones y, en 1899, sentó las bases para explicar que son las propias moléculas del aire, y no el polvo, las que dan al cielo su color azul.
Por qué la cuarta potencia de la longitud de onda determina cuánto se dispersa cada color
La propiedad más importante de la dispersión de Rayleigh es que la intensidad de la luz dispersada es inversamente proporcional a la cuarta potencia de su longitud de onda. Si la longitud de onda se reduce a la mitad, la dispersión se multiplica por 2 elevado a la cuarta potencia, es decir, por 16. Por eso, dentro de la misma luz solar, el grado de dispersión varía mucho de un color a otro.
(1) Cuanto más corta es la longitud de onda, más se dispersa la luz
La luz azul (unos 450 nm) tiene una longitud de onda menor que la luz roja (unos 700 nm), por lo que se dispersa unas 6 veces más que esta. La luz violeta (unos 400 nm) se dispersa unas 9 veces más que la roja.
(2) La luz azul dispersada llena todo el cielo
Mientras la luz solar atraviesa la atmósfera, la luz azul choca repetidamente con las moléculas del aire y se dispersa en todas direcciones. Miremos hacia donde miremos en el cielo, salvo directamente al Sol, nos llega luz azul dispersada desde esa dirección. Por eso todo el cielo se ve azul.
(3) Por qué el cielo no se ve violeta
Aunque la luz violeta se dispersa más, hay una razón por la que el cielo no se ve violeta. La luz solar ya contiene menos luz violeta que azul antes de dispersarse, y el ojo humano también es más sensible a la luz azul que a la violeta.
- Dependencia de la longitud de onda (Wavelength Dependence). Es la propiedad por la que la intensidad de la dispersión es inversamente proporcional a la cuarta potencia de la longitud de onda. Es el rasgo que distingue con mayor claridad la dispersión de Rayleigh de otros tipos de dispersión.
- Dispersión de Mie (Mie Scattering). Ocurre cuando las partículas tienen un tamaño similar o superior a la longitud de onda de la luz. Como la dispersión apenas varía según el color, la luz dispersada es casi blanca.
El color del cielo explicado con ejemplos sencillos
Una vez que entendemos la dispersión de Rayleigh, podemos explicar con un solo principio cómo cambia el color del cielo a lo largo del día. El factor decisivo es el grosor de la capa de aire que debe atravesar la luz solar antes de llegar a nuestros ojos.
[Ejemplo 1] El cielo se tiñe de rojo al atardecer
Cuando el Sol desciende hasta quedar cerca del horizonte, la luz solar debe atravesar en diagonal una capa de aire mucho más gruesa que al mediodía. Durante ese largo trayecto, casi toda la luz azul se dispersa hacia los lados y solo quedan la luz naranja y la roja, que se dispersan poco y llegan a nuestros ojos. Así, el cielo se ve rojo al atardecer porque la luz azul ha desaparecido del haz que nos llega.
[Ejemplo 2] Las nubes se ven blancas
Las gotas de agua que forman las nubes son mucho más grandes que las moléculas del aire y tienen un tamaño similar o superior a la longitud de onda de la luz. En este caso se produce dispersión de Mie en lugar de dispersión de Rayleigh. Como todos los colores se dispersan de manera similar, las nubes se ven blancas. Si las gotas se acumulan en una capa gruesa que la luz atraviesa con dificultad, se forman nubes de tormenta grises.
(1) Sin atmósfera, el cielo tampoco se ve azul
En la Luna apenas hay aire y, al faltar moléculas que dispersen la luz, el cielo se ve negro incluso al mediodía. El azul del cielo se debe a la atmósfera que nos rodea.
La dispersión de Rayleigh en la vida cotidiana y en la tecnología
Además de explicar el color del cielo, la dispersión de Rayleigh confiere a la luz dispersada propiedades particulares que se aprovechan en la fotografía, la observación de la naturaleza y la investigación científica.
(1) Un filtro polarizador intensifica el azul del cielo en las fotos
La luz del cielo dispersada por el efecto Rayleigh queda polarizada y vibra en una dirección determinada. La polarización es máxima en las zonas del cielo que se observan en una dirección perpendicular a la del Sol. Los fotógrafos aprovechan esta propiedad al girar el filtro polarizador para captar un azul más intenso.
(2) Las abejas melíferas se orientan con la luz del cielo
Se sabe que las abejas melíferas detectan el patrón de polarización de la luz del cielo, invisible para el ojo humano, y se orientan incluso cuando las nubes ocultan el Sol. Así, todo el cielo les sirve de brújula natural.
(3) La dispersión de la luz sirve como herramienta de investigación
Al medir la intensidad de la luz dispersada, se pueden determinar las propiedades de pequeñas partículas y moléculas presentes en gases o líquidos. Los métodos de medición precisa de la dispersión de la luz también se usan ampliamente en la observación atmosférica y el análisis químico.
La dispersión de Rayleigh explica cómo partículas diminutas e invisibles a simple vista, como las moléculas del aire, dispersan la luz solar y le dan al cielo su color.
La próxima vez que veamos un cielo azul o un atardecer rojo, recordar que ese color surge de la interacción entre la luz y el aire será el primer paso para estudiar la física en la vida cotidiana.
