La atmósfera terrestre está compuesta por gases transparentes que no tienen color por sí mismos. Además, la luz solar es una luz blanca, pues contiene todos los colores del arco iris.
A pesar de ello, el cielo se ve color azul. A continuación veremos como este fenómeno se explica a través del conocido como efecto Tyndall y de la dispersión de Rayleigh.
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Luz solar y colores
Los colores que vemos son la interpretación que hace nuestro cerebro de las diferentes longitudes de onda que componen la luz visible y que inciden en la retina de nuestros ojos.
En concreto, interpretamos como color azul las longitudes de onda comprendidas entre 450 y 495 nm. Entre 450 y 475 nm se sitúa el azul propiamente dicho ,y entre 475 y 490 nm el cian o celeste.
La luz solar, definida como la radiación electromagnética que nos llega desde el Sol de forma directa1, tiene un espectro mucho más amplio y abarca longitudes de onda que van desde el ultravioleta al infrarrojo pasando por todo el rango de luz visible (luz blanca), el cual contiene todos los colores del arco iris.
Entonces, ¿por qué el cielo se ve azul?
El cielo azul: efecto Tyndall y dispersión de Rayleigh
Aunque todavía sean muy populares ciertas explicaciones erróneas, como que el cielo se ve azul por el reflejo de los océanos, es bien conocido que el color azul del cielo se debe a la dispersión de la luz solar que se produce cuando la radiación solar choca con las partículas atmosféricas.
En 1859, John Tyndall describió como la luz era dispersada por las partículas en suspensión en un medio transparente, lo que se conoce como efecto Tyndall. Por ejemplo, cuándo rayos de luz entran por una ventana y vemos el polvo que hay en suspensión, cada partícula de polvo está dispersando la luz enviando rayos hacia nosotros que hacen posible ver las partículas.
Años más tarde, en la década de 1870, John William Strutt Lord Rayleigh estudió el efecto Tyndall en más detalle y descubrió que incluso las partículas de tamaño atómico y molecular producen dispersión de una radiación electromagnética, incluida la luz visible.
En concreto, Rayleigh observó como estas partículas tan pequeñas pueden dispersar radiación con longitudes de onda mucho mayores que el propio tamaño de la partícula. Este fenómeno, conocido como dispersión de Rayleigh, se puede observar en líquidos y sólidos transparentes pero es mucho más notable en gases.
La luz solar sufre la dispersión descrita por Rayleigh al encontrarse con los gases de la atmósfera terrestre, principalmente nitrógeno y oxígeno. Pero no todas las longitudes de onda son dispersadas por igual sino que las longitudes más cortas se dispersan con mayor intensidad.
El violeta y el azul son las longitudes de onda más cortas del espectro de luz visible y son las que más dispersión de Rayleigh sufren. Como la intensidad del violeta en la luz solar es menor que la del azul, y además parte del violeta es absorbido en capas superiores de la atmósfera, la dispersión es mayoritariamente de luz azul.
Es decir, la luz que llega a nuestros ojos es la luz azul dispersada por la atmósfera y por eso vemos el cielo de ese color, una consecuencia de la combinación del efecto Tyndall y la dispersión de Rayleigh.
Cuanto más directo miramos al Sol, más luz directa y menos luz dispersada nos llega, por eso podemos ver el cielo cada vez más blanco y claro a medida que miramos más directamente del Sol.
Si miramos al lado opuesto del Sol, el azul es más pálido ya que la luz ha ido perdiendo el azul por sucesivas dispersiones. En el espacio exterior, donde no hay partículas que dispersen la luz, se ve la luz blanca del Sol y el «cielo» (el espacio) se ve negro.
A medida que el Sol va descendiendo en el horizonte, la luz que nos llega recorre cada vez más atmósfera hasta que llega a nuestros ojos. En este mayor recorrido se van dispersando cada vez longitudes de onda más largas, primero el azul, luego el amarillo y así hasta que sólo nos llegan las longitudes de onda más largas, las del rojo. Por eso vemos el cielo anaranjado y rojo al atardecer.
La combinación de este rojo con el azul dispersado en capas altas de la atmósfera genera la gama de violetas que podemos ver en algunas ocasiones tras la puesta de Sol, antes de que oscurezca completamente.
Otras partículas de la atmósfera, como polvo, polución o vapor de agua, pueden dispersar la luz de forma diferente. Por ejemplo las nubes, que están compuestas por cristales de nieve o gotas de agua microscópicas suspendidas en la atmósfera, dispersan la luz visible completamente, por eso se ven blancas.