¿Por qué vemos el cielo azul?

Hablemos de luz, color y percepción

Foto de ARTHUR YAO en Unsplash

Entrada basada en el siguiente hilo de Twitter:

¿Sabes por qué vemos el cielo azul? Si has oído hablar de la dispersión de Rayleigh, entonces ¿por qué no lo vemos violeta, si ese color tiene asociado una longitud de onda aún menor que el azul? Hoy hablamos de luz, color y percepción.

Nuestra especie es única por las preguntas que nos hacemos desde la niñez. Seguro que antes que Rayleigh, mucha gente se preguntó por qué veían el cielo de color azul. Sin embargo, hasta el siglo XIX y más allá, no tuvimos una respuesta convincente a esa pregunta.

Antes de Rayleigh, en el siglo XVII, Newton mostró que la luz blanca que viene del Sol está compuesta por los siete colores principales del arcoíris, que se pueden clasificar según sus longitudes de onda: desde los 750 nm (rojo) hasta los 380 nm (violeta).

Animación esquemática de un haz continuo de luz [dispersado](https://es.wikipedia.org/wiki/Dispersión_refractiva) por un [prisma](https://es.wikipedia.org/wiki/Prisma_(óptica)). El haz blanco representa muchas longitudes de onda de luz visible, de las cuales se muestran 7, al atravesar un vacío a la misma velocidad *c*. El prisma hace que la luz se ralentice, curvando su camino por el proceso de [refracción](https://es.wikipedia.org/wiki/Refracción). Este efecto es más pronunciado en las longitudes de onda más cortas (como el extremo violeta) que en las longitudes de onda más largas (como el extremo rojo), dispersando así los componentes. Al salir del prisma, cada componente vuelve a la misma velocidad original y se refracta nuevamente. Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Light_dispersion_conceptual_waves.gif.
Animación esquemática de un haz continuo de luz dispersado por un prisma. El haz blanco representa muchas longitudes de onda de luz visible, de las cuales se muestran 7, al atravesar un vacío a la misma velocidad c. El prisma hace que la luz se ralentice, curvando su camino por el proceso de refracción. Este efecto es más pronunciado en las longitudes de onda más cortas (como el extremo violeta) que en las longitudes de onda más largas (como el extremo rojo), dispersando así los componentes. Al salir del prisma, cada componente vuelve a la misma velocidad original y se refracta nuevamente. Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Light_dispersion_conceptual_waves.gif.

Dos siglos después, subido a hombros de gigantes como Newton y Maxwell, John Strutt, III barón de Rayleigh, explicó matemáticamente lo que algunos ya intuían; la clave del azul del cielo está en cómo la luz de cada color interacciona con la atmósfera terrestre.

Un [coloide](https://es.wikipedia.org/wiki/Coloide) de [poliestireno](https://es.wikipedia.org/wiki/Poliestireno) se ilumina desde arriba con un [láser](https://es.wikipedia.org/wiki/Láser) rojo (izquierda) y con un láser violeta (derecha). La luz violeta sufre un esparcimiento mayor que la luz roja. Fuente: https://revistas.uca.es/index.php/eureka/article/view/2982.
Un coloide de poliestireno se ilumina desde arriba con un láser rojo (izquierda) y con un láser violeta (derecha). La luz violeta sufre un esparcimiento mayor que la luz roja. Fuente: https://revistas.uca.es/index.php/eureka/article/view/2982.

La intensidad de luz esparcida por las partículas mucho más pequeñas que forman la atmósfera es inversamente proporcional a la cuarta potencia de la longitud de onda (λ–4). Por eso vemos el cielo azul (λ más corta) durante el día y rojo (λ más larga) en la salida o la puesta de Sol.

Diagrama simplificado del fenómeno del esparcimiento, también llamado [**dispersión de Rayleigh**](https://es.wikipedia.org/wiki/Dispersión_de_Rayleigh). Fuente: https://infobservador.blogspot.com/2010/11/el-efecto-tyndall-y-rayleigh.html.
Diagrama simplificado del fenómeno del esparcimiento, también llamado dispersión de Rayleigh. Fuente: https://infobservador.blogspot.com/2010/11/el-efecto-tyndall-y-rayleigh.html.
Si quieres saber más sobre la dispersión de Rayleigh te recomiendo leer este magnífico artículo de Alejandro del Mazo Vivar.

Profundizar en esa dependencia matemática se sale del objetivo de esta entrada, aunque parece intuitivo que las moléculas de nuestra atmósfera (nitrógeno, oxígeno, …), con tamaños inferiores a 1 nm, afecten más al azul (450 nm) que al rojo (750 nm).

Espectro visible por el ojo humano (luz). Adaptado de https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Electromagnetic_spectrum-es.svg.
Espectro visible por el ojo humano (luz). Adaptado de https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Electromagnetic_spectrum-es.svg.

Hasta aquí lo que se suele contar en las clases de Óptica. Sin embargo, si recordamos la imagen del prisma de Newton, no es el azul el color con menor longitud de onda, sino el violeta. Si el violeta se esparce más que el azul, ¿por qué no vemos el cielo violeta?

El motivo es que nuestros ojos no son igual de sensibles a todas las frecuencias. En nuestras retinas, tenemos dos tipos de células fotorreceptoras: los conos y los bastones. Aquí podéis ver una imagen de microscopía electrónica de ambos tipos de células.

Conos (azules) y bastones (verdes) de la retina humana. Imagen de [falso color](https://es.wikipedia.org/wiki/Falso_color) al [microscopio SEM](https://es.wikipedia.org/wiki/Microscopio_electrónico_de_barrido). Fuente: https://infomedicos.tumblr.com/post/182274112326/conos-azules-y-bastones-verdes-de-la-retina.
Conos (azules) y bastones (verdes) de la retina humana. Imagen de falso color al microscopio SEM. Fuente: https://infomedicos.tumblr.com/post/182274112326/conos-azules-y-bastones-verdes-de-la-retina.
Si quieres saber más sobre los conos y los bastones, y en general sobre el ojo humano, te recomiendo echar un vistazo a esta estupenda página de Luis Monje.

Los millones de conos de nuestra retina se dividen en tres tipos, según el tipo de proteína fotosensible (opsina) que capta la luz. Por su parte, hay una única clase de bastones, los cuales intervienen cuando hay poca luz.

Fuente: https://quecamaradefotos.com/camaras/caracteristicas-tecnicas/entendiendo-el-color-vision-humana/.
Fuente: https://quecamaradefotos.com/camaras/caracteristicas-tecnicas/entendiendo-el-color-vision-humana/.

Si comparamos la sensibilidad conjunta de nuestros conos según el color, voilà. Nuestros fotorreceptores son mucho menos sensibles al violeta que al azul, lo cual, combinado con el esparcimiento de Rayleigh, explica el color azul del cielo.

Espectros de respuesta normalizada de los conos humanos, S, M, L. Adaptada de https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cone-fundamentals-with-srgb-spectrum.svg.
Espectros de respuesta normalizada de los conos humanos, S, M, L. Adaptada de https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cone-fundamentals-with-srgb-spectrum.svg.

Por este motivo, leeréis en alguna web que en realidad el cielo es violeta, aunque nosotros lo veamos azul. No es del todo cierto, pues hay un segundo motivo del dominio del azul en nuestro cielo; la luz solar también tiene menor grado de violeta que de azul.

Espectro original de la radiación solar y aquel que llega a la superficie de la Tierra. Sin tener en cuenta el esparcimiento de Rayleigh, el Sol nos envía menos luz (un menor número de fotones) violeta que azul. Fuente: http://leias.fa.unam.mx/wp-content/uploads/2018/07/180515_Practica6_LES.pdf.
Espectro original de la radiación solar y aquel que llega a la superficie de la Tierra. Sin tener en cuenta el esparcimiento de Rayleigh, el Sol nos envía menos luz (un menor número de fotones) violeta que azul. Fuente: http://leias.fa.unam.mx/wp-content/uploads/2018/07/180515_Practica6_LES.pdf.

En todo caso, nuestros fotorreceptores nos muestran un cielo más azulado de lo real. Creo que no debemos sentirnos mal por ello. Al fin y al cabo, todo receptor es subjetivo, y nuestra interpretación de las ondas electromagnéticas es suficientemente útil y bella.

Impresión, sol naciente, del gran pintor [Claude Monet](https://es.wikipedia.org/wiki/Claude_Monet). Fuente: http://artesantaemerenciana.blogspot.com/2015/05/impresion-sol-naciente-de-monet-una-de.html.
Impresión, sol naciente, del gran pintor Claude Monet. Fuente: http://artesantaemerenciana.blogspot.com/2015/05/impresion-sol-naciente-de-monet-una-de.html.
Manuel Alonso Orts
Manuel Alonso Orts
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Físico, especializado en propiedades ópticas de (nano)materiales semiconductores. Postdoc en la Universidad de Bremen (Alemania).

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