-Papá, ¿por qué el cielo es azul?
Algunos padres habrán escuchado esa pregunta. ¿Por qué el cielo es azul y no verde, rosa o blanco? Es más, si el aire es transparente y la atmósfera es aire, ¿por qué vemos el cielo azul y no transparente, viendo el resto de estrellas sobre un fondo negro? Para responder a esta pregunta que parece tan simple, seguid leyendo.
Una de las herramientas más útiles en el ámbito científico son los modelos. Un modelo es un sistema idealizado, más o menos complejo, con el que se intenta representar el sistema real que pretendemos estudiar. Es necesario partir de unas hipótesis, en base a las cuales desarrollamos el modelo y después jugueteamos con el mismo: vemos como se comporta bajo distintas situaciones, cómo responde a diferentes estímulos… y comparamos con los resultados experimentales, para saber si el modelo es válido y determinar su rango de validez o si por el contrario tenemos que mandarlo a la basura y empezar el trabajo de nuevo.
Para responder a la pregunta ¿por qué se ve el cielo azul? vamos a tener que echar mano de un modelo. Concretamente de un modelo de átomo. Porque el color del cielo se explica gracias a la dispersión o esparcimiento de Rayleigh, y ésta tiene que ver con cómo son los átomos.
Un átomo está compuesto por un núcleo, donde se encuentran los protones, que tienen carga positiva, y los neutrones, sin carga, y por la nube electrónica formada por electrones, de carga negativa, que orbitan alrededor del núcleo. A lo largo de la historia de la física se han empleado diversos modelos de átomo: Dalton, Thomson, Rutherford, Bohr y Schrödinger. Cada uno de estos modelos es más complejo que el anterior y explica mayor número de propiedades del átomo.
Imagen popular del átomo | Fuente
No nos vamos a poner excesivamente sofisticados, y para explicar el color del cielo emplearemos un modelo parecido al modelo de Rutherford. Consideraremos el átomo como un núcleo puntual de carga positiva y la nube electrónica como una esfera uniforme de carga negativa, con el núcleo en el centro de ella.
Vemos el cielo (y todo lo que nos rodea) gracias a la luz solar. Por tanto, nos interesa saber cómo va a responder nuestro átomo cuando le llegue la luz, ¿reaccionará, no pasará nada, se pondrá crema para no quemarse?
Onda electromagnética | CSIC
La luz solar es una onda electromagnética, formada por un campo eléctrico y un campo magnético oscilantes. Las partículas con carga eléctrica (protones y electrones) se ven afectadas por los dos campos, pero es mucho más fuerte la interacción de dichas partículas con el campo eléctrico que con el magnético (se puede comprobar con un par de cuentas sencillas).
Tenemos al núcleo rodeado de electrones, tan tranquilo y de repente viene un campo eléctrico a molestarlo. ¿Qué sucederá? Nuestro átomo se convierte en un dipolo eléctrico. El campo externo (el de la luz incidente) tira de la carga positiva del núcleo a un lado y de la carga negativa de la nube electrónica hacia el otro:
Hemos dicho que el campo eléctrico de la onda está oscilando, por lo que las cargas también estarán oscilando. Es lo que en física se conoce como un oscilador forzado y amortiguado. Forzado, porque las cargas oscilan debido a que hay un campo eléctrico externo que las fuerza a moverse. Amortiguado debido a que las cargas están aceleradas (están oscilando), y las cargas aceleradas pierden energía en forma de radiación electromagnética.
Un momento… remarquemos esa frase otra vez, porque ahí está el meollo del asunto: las cargas aceleradas pierden energía en forma de radiación electromagnética. Esto es lo que conocemos como difusión de Rayleigh: la luz incidente es una onda electromagnética, que obliga al dipolo eléctrico a oscilar, con lo que hay una absorción y reemisión de energía electromagnética. Hay que destacar una cosa: la onda electromagnética reemitida por el dipolo es de la misma frecuencia que la incidente. Para dejarlo más claro: si incidimos con luz roja, el dipolo reemite luz roja. Parece de perogrullo, pero hay otros fenómenos en la naturaleza en los cuales la frecuencia de la luz reemitida es diferente de la luz absorbida. Esto quiere decir que si ilumináramos con luz violeta, la luz reemitida sería roja. Es el caso del efecto Compton, efecto que no se puede explicar con este modelo. De hecho hay que echar mano de la mecánica cuántica para explicarlo.
Definimos la sección eficaz de difusión. Parece algo complicado, pero tranquilos: es un concepto que nos da idea de la eficiencia de la difusión. Depende de la frecuencia de la onda incidente (la expresión matemática no la voy a poner), y es del siguiente tipo:
Analicemos la gráfica más en profundidad: tiene un pico en una determinada frecuencia. Esto se debe al fenómeno de resonancia, que está asociado al oscilador amortiguado y forzado que es nuestro átomo. Si incides sobre el átomo con una onda de esa frecuencia (la del pico) la potencia reemitida por el átomo es mayor que si lo haces a una frecuencia distinta, es más eficiente.
El aire está formado en su mayor parte por nitrógeno y oxígeno. Estos dos gases tienen sus resonancias en la parte del espectro electromagnético conocida como ultravioleta (U.V.) y que se caracteriza por tener ondas de mayor frecuencia que el visible. Es decir, las frecuencias cercanas al pico en la gráfica estarían en el ultravioleta y las menores, hacia la izquierda, serían el rango visible. ¿Os llama algo la atención? Voy a poner la gráfica otra vez, pero esta vez dibujada a mano y remarcando algunos aspectos:
La luz que llega al átomo abarca muchas frecuencias, entre ellas el rango visible. Pero el átomo es más eficiente difundiendo la luz de mayor frecuencia en el rango visible (violetas y azules) que las de frecuencia menor (rojos, naranjas…). La luz difundida por el átomo por tanto, tiene mayor intensidad en frecuencias violáceas, lo que en conjunto da lugar a una luz azulada. Además, la luz transmitida (lo que queda de la incidente tras interactuar con el átomo) es roja-anaranjada lo que explica el color rojizo precioso de los atardeceres. Pero todo se ve más fácil con otro dibujo:
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