Cielo azul, atardecer y anochecer

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La luz sufre, como ya sabrás, reflexión, refracción, difracción, y dispersión ("scattering" en inglés). Es este último el responsable de los colores del cielo. El fenómeno de la dispersión de la luz ocurre cuando ésta interactúa con partículas de materia de tamaño similar a su longitud de onda. Las diferentes longitudes de onda y, por tanto, los diferentes colores, no son dispersados con la misma eficacia. En concreto, los colores azulados son mas dispersados que los rojizos.

El "scattering" de la luz a través de un medio dispersivo depende también de la longitud de la trayectoria que siga inmersa en el mismo. La razón por la que en el atardecer y el amanecer el sol se presenta de color rojizo es porque los rayos directos que vemos han recorrido un gran camino atravesando la atmósfera, mucho más largo que el que recorren cuando se encuentran justo en el cénit. Al recorrer este camino la luz, que es casi blanca (y por tanto "contiene" todos los colores), al entrar en la atmósfera, va perdiendo los azules por culpa del efecto de dispersión. Los pocos rayos que son capaces "de sobrevivir" todo este camino son predominantemente rojos. ¿Dónde están los azules que se pierden por el camino? Iluminando el resto de la atmósfera y dándonos la sensación de cielo azul a la que estamos acostumbrados. En realidad el cielo es violeta (color que se dispersa mas eficientemente), pero la sensibilidad del ojo humano decrece en las longitudes de onda características de dicho color y por tanto no es capaz de verlo.

En el laboratorio podemos simular este efecto partiendo de agua transparente que simula el efecto de la atmósfera en dos vasos distintos. En uno de ellos disolvemos algunas gotas de leche, que contiene unas partículas de calcio de un tamaño tal que el fenómeno de dispersión es bastante eficaz. En la otra disolvemos una tinta opaca, que absorbe la luz en todas las longitudes de onda. Apoyamos ambos vasos sobre un proyector de modo que la luz lo atraviese y alcance una pantalla que nos sirva para analizar el resultado de nuestro experimento.

Es posible observar como, si la cantidad de leche añadida es pequeña, en la pantalla se aprecian tonos rojizos. Esto se debe a que son dichos tonos los que consiguen atravesar el líquido. El resto de colores (predominantemente los azules) son dispersados a través de las caras del recipiente. Si añadimos más leche la pantalla se vuelve negra ya que ningún rayo de luz alcanza la pantalla. Este resultado es igual al obtenido con el vaso de tinta. Pero los fenómenos son muy diferentes, en el caso de la tinta la luz es absorbida, mientras que en el caso de la leche, la luz es dispersada en todas direcciones. Como resultante vemos, sólo en el segundo caso, las paredes iluminadas.

As you probably already know, light undergoes phenomena such as reflection, refraction, diffraction, and scattering. Among them, the later is mainly the responsible for the colors we see displayed on the sky. This phenomenon takes place when the light interacts with particles whose sizes are similar to the light’s wavelength. Different wavelengths, and therefore different colors, are not dispersed with the same efficiency. In particular, bluish colors are more dispersed than reddish.

The scatter produced on the light going through a dispersing medium, depends also on the length of the pathway through it. The reason why the sky appears reddish during sunrise and sunset is the enhanced scatter undergone by the direct sun-rays along their pathway through the atmosphere, much longer than those they follow when the sun is near the zenith. The white light looses bluish colors along the pathway due to the scattering effect. Those rays able “to survive” to this so long way are mainly reddish. Where do the lost blue colors go? They light up the rest of sky with giving to it the characteristic blue color. In reality, the sky is violet (the color within the rainbow that is scattered more efficiently), but the sensitivity of the human eye decreases towards the characteristic wavelengths of such color.

In the laboratory, it is possible to illustrate this effect using two glasses in which we can simulate effect of the atmospheric dispersion on the light. In one of them, we add some drops of milk. The milk contains particles of calcium with a size such that the scattering effect is quite efficient. In the other one, we add an opaque liquid such as ink so that all the wavelengths of visible light are extinguish. We put both glasses on a projector, so that the light goes through each of them and afterwards reaches a screen where we can explore the output of the experiment.

If the amount of milk added is small reddish colours are distinguished. This is because the white light looses bluish colors due to the scattering effect and only reddish colours are capable of reaching the screen. If more milk is added the screen turns black. The same result is obtained for the glass with the opaque liquid. At first sight, the impact of both dissolutions on the light looks similar: part of the light seems to be loss along the optical path. However, the underlying phenomena taking place are really different: in the case of the opaque liquid the light is absorbed, while in the case of milk, the light is scattered in all directions, and so the flux of light that reaches the screen is smaller. In addition, in the later case, the sides of the glasses appear illuminated.

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