Ciencia

¿Por qué el cielo es azul? La ciencia lo explica

La explicación de que el cielo sea azul es muy sencilla. La luz solar, los gases de la atmósfera, las partículas en suspensión, la radiación electromagnética… Todo juega un papel. Veámoslo.
Por qué cielo es azul

Absolutamente todos nos hemos preguntado alguna vez por qué el cielo es azul. Y varias veces, seguramente. Y es que a pesar de que sea algo tan evidente para nosotros que ni nos lo cuestionemos, lo cierto es que detrás del color azul del cielo se esconden muchos fenómenos físicos increíbles.

La explicación de por qué el cielo es azul es muy sencilla, simplemente toma algo de tiempo para razonarlo. Pero en el artículo de hoy, lo haremos de la forma más sencilla, clara, amena y entretenida posible.

Para comprender el por qué del cielo azul, tenemos que emprender un viaje desde el Sol hasta nuestra retina, que es la que capta la luz. Por ello, analizaremos la naturaleza de la luz solar, veremos qué pasa con ella cuando llega a la atmósfera, qué papel juegan los gases de la misma y qué sucede en nuestros ojos para que veamos el cielo azul.

Y antes de empezar, hay que dejar clara una cosa: el cielo es azul. No es ninguna ilusión óptica. Realmente tiene este color. Pero si nuestra atmósfera hubiera sido distinta, podría ser ojo, blanco, amarillo, verde… Y hoy veremos por qué. Empecemos nuestro viaje.

El viaje de la luz del Sol hasta nuestros ojos

Como venimos comentando, la mejor manera de entender por qué el cielo es azul es emprendiendo un viaje desde el Sol hasta nuestra retina. Solo así tendremos una visión clara y ordenada para comprender todos los fenómenos físicos que hacen que el cielo de la Tierra tenga este color.

Por lo tanto, dividiremos nuestro recorrido en tres partes: la radiación electromagnética, el viaje de la luz solar a través del espacio y la entrada en la atmósfera. Empecemos.

1. La radiación electromagnética

Antes de empezar nuestro recorrido, debemos entender qué es exactamente la luz, cuál es su naturaleza. Por ello, empezaremos hablando de conceptos que, aunque no lo parezcan, guardan una enorme relación con la luz y, por lo tanto, el color.

Toda la materia del Universo, por el simple hecho de existir, emite alguna forma de radiación electromagnética. Solo en el cero absoluto de temperatura (-273,15 °C) el movimiento de las partículas se detiene y, por lo tanto, no se emite radiación.

Y como es físicamente imposible alcanzar este cero absoluto, podemos afirmar que, desde una estrella hasta una planta, todo cuerpo del Cosmos emite una forma u otra de radiación, la cual será mayor o menor dependiendo de la energía interna del cuerpo en cuestión. Y que tenga más energía implica, casi siempre, una mayor temperatura. Pero ya llegaremos a ello.

Primero, debemos entender qué es la radiación electromagnética y, sobre todo, quitarnos de la cabeza la idea de que radiación es igual a rayos X o rayos gamma. Estas son solo una de las formas más energéticas, pero ya hemos dicho que toda la materia del Universo emite radiación.

Pero, ¿qué es la radiación? Sin complicarlo demasiado, debemos entender la radiación electromagnética como ondas que viajan por el espacio. Para hacer una analogía, podemos pensar en una piedra cayendo en la superficie de un lago y generando olas a su alrededor. Sería algo así. No exactamente, pero nos vale para entenderlo.

Sea como sea, el hecho de que la radiación sean ondas, implica la existencia de “crestas” en estas olas, ¿verdad? Y estas crestas estarán más o menos separadas las unas de las otras en función de su energía. Y esto, que puede parecer trivial, es lo que determina que nosotros, los seres humanos, emitamos radiación infrarroja y no rayos gamma, por ejemplo.

Un cuerpo muy energético (que normalmente es sinónimo de cuerpo a mucha temperatura) emite ondas de muy elevada frecuencia, es decir, con las crestas de cada una de estas ondas muy juntas entre ellas. Como si de un mar muy agitado y con olas constantes se tratara.

Y esta elevada frecuencia implica (y ahora introducimos un nuevo concepto importante) una baja longitud de onda, que es básicamente que hay poca distancia entre cada una de estas olas. Es decir, dependiendo de la energía del cuerpo, este emitirá unas radiaciones con una longitud de onda más baja (los más energéticos) o más alta (los menos energéticos).

En este sentido, es posible ordenar las radiaciones electromagnéticas en función de su longitud de onda, generando así lo que se conoce como espectro de radiación electromagnética. Tampoco se trabajaron demasiado el nombre.

Radiación electromagnética

En la izquierda, tenemos las radiaciones de alta longitud de onda (las menos energéticas) y, a la derecha, las de baja longitud de onda (las más energéticas), las cuales, precisamente por este pequeño tamaño, son agentes mutagénicos. Pero esto ya es otra historia.

Lo que importa es lo que pasa en el medio del espectro. Los seres humanos, pese a que podamos sentirnos muy llenos de energía, desde el punto de vista físico, somos muy poco energéticos. Por ello, la radiación que emitimos, pese a ser más “potente” que las radiaciones de radio o microondas, están en el espectro del infrarrojo.

Emitimos una radiación que nuestros ojos no captan, pero sí las cámaras de infrarrojo. Las cámaras de visión nocturna y las térmicas se basan precisamente en detectar esta radiación. Pero esto, a pesar de ser muy interesante, no es lo que nos atañe hoy.

Lo que de verdad nos interesa es lo que hay al lado derecho del infrarrojo. ¿Qué hay? Exacto. Una pequeña franja de radiaciones que conforman el espectro visible. En esa porción, que va de radiaciones de 700 nanómetros hasta 400 nanómetros, están todos los colores (menos el negro, que es ausencia de luz), por lo que esto ya nos interesa más en nuestro camino hacia el azul del cielo.

Los colores que vemos (rojo, amarillo, verde, azul y violeta, además de todas las combinaciones) son radiaciones electromagnéticas. Dependiendo de su longitud de onda, estaremos ante un color u otro. Las luces LED, por ejemplo, generan un color determinado haciendo variar la longitud de onda de la luz que emiten.

Por lo tanto, por ahora nos tenemos que quedar con la idea de que cada color corresponde a una longitud de onda determinada. Y mantengamos en mente que el azul es un color que se genera con longitudes de onda de 500 nanómetros. Un nanómetro es la mil millonésima parte de un metro. Por lo tanto, con 500 nanómetros estamos hablando de una longitud de onda de, más o menos, unos 5 virus puestos en línea. Pero ya llegaremos a ello. Aquí teníamos que entender qué era la radiación electromagnética. Y lo hemos hecho seguro.

Ahora, ¿cuál es nuestra fuente de radiación electromagnética correspondiente al espectro visible? Exacto. El Sol. Y la luz que nos llega de él es la que determinará el color del cielo.

Luz onda

2. La luz solar viaja a través del espacio

El Sol es una esfera de plasma incandescente en cuyo núcleo tienen lugar reacciones de fusión nuclear y con unas temperaturas en la superficie de unos 5.500 °C. Es una enana amarilla (hay estrellas muchísimo más grandes) que, por su energía, emite una radiación electromagnética particular, que se corresponde con el espectro del amarillo. De ahí su nombre.

El amarillo ya hemos visto que tiene una longitud de onda intermedia dentro del espectro, así que no es la más energética pero tampoco la menos. De hecho, las enanas rojas son rojas, valga la redundancia, porque son menos energéticas (sus temperaturas en superficie son de unos 3.800 °C) y, por lo tanto, emiten una radiación que, siendo visible, es de mayor longitud de onda, que corresponde al rojo.

En cambio, estrellas como las hipergigantes azules, tienen temperaturas superficiales de hasta 50.000 °C, por lo que no es de extrañar que emitan radiación visible de color azul, que es la más energética. Pero no nos liemos con el cielo, porque nuestro cielo no emite luz. Volvamos al Sol antes de perdernos.

Simplemente hay que entender que el Sol emite luz blanca. Y la luz blanca, ¿a qué longitud de onda de la radiación equivale? A ninguna. La luz blanca nace de la unión de todas las longitudes de onda del visible. Es decir, si envías un haz lumínico (que es básicamente lo que nos llega del espacio desde el Sol) que contenga todas las longitudes de onda posibles (desde el rojo hasta el violeta), tendrás luz blanca.

Luz sol

Solo hace falta que mires al Sol (bueno, no lo hagas mejor) durante el día. ¿De qué color se ve? Blanco, ¿verdad? Pues por ahora, quedémonos con esto. La luz que viaja por el espacio procedente del Sol es blanca. El azul, de momento, no aparece por ningún lado. La luz del Sol tiene todos los colores mezclados. Pero, claro, todo cambia cuando llega a la atmósfera.

3. Entrada de la luz a la atmósfera y generación del color azul

Dejemos de hablar por un momento de luz, radiación electromagnética, longitudes de onda y todo esto. Centrémonos, ahora, en nuestra atmósfera. En, por lo tanto, nuestro cielo, que no deja de ser la atmósfera de la Tierra.

¿Qué es la atmósfera? Bueno, la atmósfera es, a grandes rasgos, una capa de gases que envuelve la superficie terrestre, empezando sobre la corteza terrestre y extendiéndose hasta 10.000 km por encima de la misma, marcando un límite difuso entre la Tierra y el vacío espacial.

Pero lo verdaderamente importante, más que su tamaño, es su composición. Y es que en esta composición radica la clave para entender el porqué del cielo azul. La atmósfera de cada planeta es, en lo que a composición se refiere, única. Y después entenderemos por qué decimos esto.

En este sentido, la atmósfera terrestre es, en un 78%, nitrógeno, seguido, bastante de lejos, por el oxígeno, que representa el 28% de su composición. El 1% restante son todos los otros gases, siendo el argón y el vapor de agua los responsables del 0,93%. El 0,07% restante corresponde a dióxido de carbono, neón, helio, ozono, hidrógeno, etc.

Pero lo que de verdad importa es que de cada 100 moléculas de gas, 99 pertenecen al nitrógeno y al oxígeno. Por lo tanto, podemos afirmar que el 99% de los gases de la atmósfera son moléculas de nitrógeno y de oxígeno.

Pero, ¿la atmósfera son solo gases? No. Además de estos gases, hay partículas sólidas en suspensión, que básicamente son polen, arena, polvo, hollines y todas aquellos compuestos sólidos que flotan en el aire. Y ahora estamos ya muy cerca de entender por qué el cielo es azul.

Regresemos a la luz. Cuando esta llegue procedente del Sol y siendo blanca, antes de llegar a la superficie (donde estamos nosotros), tiene que atravesar estos 10.000 km de atmósfera. Y si recapitulamos, recordaremos que cada color corresponde a una longitud de onda.

Las más grandes corresponden, por orden, al rojo, al amarillo y al verde; mientras que las más pequeñas, corresponden, por orden, al azul y al violeta, siendo esta última la más pequeña. Sea como sea, todas estas ondas, si quieren llegar a la superficie terrestre, tendrán que pasar a través de todas esas partículas sólidas que comentábamos.

Y estas partículas sólidas, por cierto, da la casualidad que tienen un tamaño promedio de unos 500 nanómetros (¿Te suena este número?). Entonces, lo que pasará ahora es que las radiaciones que tengan longitudes de onda mayores a los 500 nanómetros, podrán pasar sin problema, básicamente las atravesarán.

Por ello, la luz roja, por ejemplo, cuya longitud de onda es de 700 nanómetros, la atraviesa sin problema junto con las amarillas y verdes. Incluso la luz violeta, que, con sus 400 nanómetros de longitud de onda, es más pequeña, puede atravesarla. Por lo tanto, todos los colores pasarán por la atmósfera sin problemas. Menos uno. A ver si lo adivinas.

La radiación correspondiente al azul, al tener una longitud de onda con un tamaño igual (o muy parecido) al de los 500 nanómetros de las partículas sólidas, no puede atravesarlas. Al ser iguales en tamaño, choca contra ellas. Y este impacto provoca que la luz azul, lejos de pasar a través de las partículas, salga reflejada o, como es más correcto decirlo, dispersa en todas las direcciones posibles.

Por ello, la luz azul no puede llegar directamente a la superficie terrestre, sino que se esparce por toda la atmósfera, haciendo que toda ella, desde nuestra perspectiva, sea azul. Es decir, las partículas sólidas “recogen” la radiación correspondiente al azul de la luz solar en su camino a la superficie.

En otras palabras, todas las radiaciones pasan sin problemas a través de la atmósfera, menos la luz azul, que no puede pasar y, por lo tanto, impregna toda la atmósfera con esa radiación que nuestros ojos interpretan como azul. Si esto no sucediera, el cielo sería simplemente blanco, pues todas las radiaciones pasarían a través de la atmósfera.

La próxima vez que mires al cielo, podrás pensar en radiaciones electromagnéticas y dispersiones de la luz. O simplemente, relajarte. Como prefieras.

Cielo azul
Créditos: @pictoline
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