Nuestro Friki favorito no es de los que aplauden cuando el sol se pone tras el mar, como los guiris, sino los que se ponen a pensar en la dispersión de Rayleigh, en átomos comportándose como muelles, y en la naturaleza de la luz. No vea…


Querido Diario:

Sentadito a la orilla del mar, en un rincón de La Caleta, flanqueado por el castillo de Santa Catalina a mi derecha y el de San Sebastián a mi izquierda, y protegidas mis espaldas por el Balneario, estaba divisando yo el horizonte durante el atardecer. Las barquillas flotaban en las aguas que se acercaban a besar la arena, las gaviotas volaban libres hacia el sol, como prendidas por el hechizo de la preciosa luz que bañaba todo Cádiz. La brisa marina me acariciaba la cara y mis pensamientos se dejaban llevar por ella. Me comprenderéis entonces cuando, en esa situación, mi mente naturalmente se preguntó: ¿por qué el cielo se tiñe de este color al atardecer? ¿Y por qué durante el resto del día el cielo es azul?

Las respuestas a estas preguntas nos las da la Física detrás de la interacción entre la luz y la materia. Estudiándola, nos damos cuenta de la sarta de casualidades que se dan a la vez, fruto de las cuales nuestro cielo tiene ese color azul 476-nm tan brillante durante el día, y nuestros atardeceres tiñen el ambiente de rojos y amarillos, cual si la atmósfera ardiera en llamas.

Es importante recordar, Querido Diario, las formas que tiene la luz de interaccionar con los átomos de la materia. Tengamos en mente la imagen del átomo como un núcleo positivo rodeado por una nube de electrones de carga negativa, con una configuración determinada. Cuando el átomo está sin perturbar, a su aire, la configuración de la nube electrónica será tal que el átomo estará en su estado de mínima energía (el ground-state), es decir, cada electrón se situará en el nivel de energía más bajo disponible para cada uno. En ese estado se quedará el átomo tranquilito hasta que un fotón de luz venga a perturbarlo con su energía. En este punto hay dos posibilidades, dos formas de interacción: o bien el fotón es absorbido y el átomo pasa a un estado excitado, o bien la nube electrónica comienza a oscilar con la frecuencia del fotón incidente.

Gracias a la teoría cuántica, sabemos que todo está cuantizado. En particular, los niveles de energía de un átomo, pues los electrones solo pueden ocupar ciertos niveles de energía, que están discretizados, por lo que la nube electrónica solo puede estar en ciertas configuraciones, cada una de ellas asociadas a valores de energía concretos. Esto hace que para que un átomo, o una molécula, pase de un estado a otro, tenga que absorber la energía que separa ambos estados. Cuando esto ocurre, se dice que se da un salto cuántico. Este salto cuántico puede ocurrir cuando un fotón con la frecuencia 𝜐 determinada (recordemos la relación planckiana 𝐸 = ℎυ) interacciona con el átomo. Entonces el fotón es absorbido y el átomo pasa a su estado excitado (decimos que el átomo tiene una resonancia en esa frecuencia), para luego decaer en el estado de mínima energía tras la reemisión de un fotón con la misma frecuencia o tras disiparse esa energía por choques con otros átomos del medio, si este es lo suficientemente denso.

Pero da la casualidad de que las moléculas del aire de la atmósfera no tienen ninguna resonancia en las frecuencias correspondientes al espectro de luz visible, aunque sí en el ultravioleta (muchas de ellas, de hecho). Cuando un fotón con una frecuencia distinta a las de resonancia de una molécula interacciona con ella, la nube electrónica comienza a oscilar con la frecuencia del fotón incidente en torno a su configuración inicial. Esto puede pensarse de forma semiclásica, pensando en la luz como onda electromagnética. Los campos eléctricos y magnéticos oscilantes son los responsables de la oscilación de la nube electrónica cargada.

Cuando la nube electrónica cargada negativamente oscila alrededor del núcleo cargado positivamente, la molécula puede estudiarse como si fuera un dipolo eléctrico, el cual, como se sabe de la teoría electromagnética de Maxwell, al oscilar, emite radiación electromagnética instantáneamente. Con una intensidad mayor, cuanto mayor sea la frecuencia de oscilación.

Muy bien, pues ahora ya podemos entender qué pasa con el color del cielo.

Cuando un rayo de luz sale de la atmósfera del Sol y, tras 8 minutos de viaje, llega a la atmósfera de la Tierra, comienza a interaccionar con las moléculas que componen nuestro aire: nitrógeno, oxígeno y demás. Gracias a la casualidad de que estas moléculas no tienen resonancias en el visible, no absorben la luz y la atmósfera es transparente. Sin embargo, por lo que hemos explicado antes, todas ellas se comportarán como osciladores, con sus nubes electrónicas vibrando por la perturbación inducida por el fotón. Esto hace que por cada fotón que interacciona con el átomo se emita otro igual inmediatamente después. La dispersión es elástica. Como las moléculas están orientadas de forma aleatoria, los fotones son dispersados en todas direcciones, por lo que, al haber muchísimos fotones en un rayo de luz, hace que podamos pensar en cada molécula como una fuente de ondas electromagnéticas esféricas.

Este proceso de dispersión es muy débil, por lo que para que el rayo se atenúe apreciablemente, debería atravesar un volumen de aire inmenso. Así que la intensidad del rayo de sol no disminuye apreciablemente, aunque cada molécula está dispersando luz lateralmente fuera del rayo de sol. La intensidad de esta luz dispersada será mayor cuanto más cercana esté la frecuencia de la luz a alguna resonancia de las moléculas. Como estas moléculas tienen resonancias en el ultravioleta, las frecuencias más dispersadas serán, de más a menos, las correspondientes a los colores violeta, azul y verde. Los demás colores también serán dispersados pero a niveles considerablemente menores. Por tanto, el rayo de luz que atraviesa la atmósfera tendrá un fuerte componente en luz roja, y la luz que ha sido dispersada se verá azul (ya que la luz solar no tiene mucha componente de luz violeta, por la temperatura superficial del sol). Es esta luz dispersada la que nos llega a nuestros ojos desde el cielo. Y son nuestros ojos los que promedian todas las frecuencias que están dispersadas (violetas, azules y verdes) en un fondo de color azul 476-nm, que colorea nuestro cielo.

¿Y por qué los atardeceres son rojos?

Cuando el sol se pone tras el horizonte, su luz tiene que atravesar un volumen de aire atmosférico considerablemente mayor, esto hace que los colores azules se hayan atenuado lo suficiente como para que predominen los amarillos y rojos, y hagan de esos momentos los ideales para que los influencers suban su fotito de la Golden hour.

Los colores del cielo, concluí, no son resultado del azar, sino que son los que son por las moléculas que componen nuestro aire y por su forma de interaccionar con la luz que proviene del sol, con la nube electrónica oscilando como si fuera un muelle accionado por los fotones. Qué bonita es la Física. Supongo que sería por esto por lo que los guiris aplaudieron cuando el sol se escondió...

De repente salí de mis cavilaciones. La luz se había extinguido por completo, arrastrada por el sol bajo el horizonte. La luna me estaba mirando y acariciándome el pelo. Y yo le he dicho que el cielo puede quedarse esperando, que me iba a quedar toda la noche si hiciera falta pensando en la Física, hasta desentrañar todos sus misterios.


Atte.

Un Friki


Bibliografía recomendada

E. Hecht, Optics, 5th ed. (Pearson Global Editions, Harlow (UK), 2017).