Luz y Color
Y si además de contemplar la belleza de los colores del arcoíris y de las mariposas nos aventuramos a comprender por qué los vemos y por qué ocurren, entonces podremos estar seguros de un disfrute más pleno.
Episodio 3. Lo que esconde la belleza del arcoíris
Marga 1: Uy mira qué arcoíris tan hermoso.
Santi 1: Sí, está muy lindo ¿Sabes que el otro día del borde de una puerta de vidrio salía un chorro de luz y tenía como los colores del arcoíris y se veía por todo el piso?
Marga 2: Ver los colores de un arcoíris, un atardecer, las mariposas y los colibríes da alegría,
¿Cierto?
Santi 2: ¿Y por qué hay colores?
Marga 3: Vení, leamos sobre ese tema. Es verdad que estamos inmersos en un mundo de luz y color. Lo mínimo que podemos hacer es aprender algo sobre esos fenómenos, ¿No?
Santi 3: Claro. Es muy interesante, la ciencia ha pasado la vida entera queriendo comprender qué es el color ¿Por qué la luz tiene color? ¿Es una propiedad de la luz?
Marga 4: Muchos científicos han estudiado la relación entre la luz y el color. Pero fue Isaac Newton el que demostró que la luz blanca del sol al pasar por un prisma se descompone en los colores del arcoíris. Después de obtener el arcoíris, Newton tuvo una idea genial que fue hacer pasar todos los colores por otro prisma. Ahí vio que de nuevo aparecía la luz blanca.
Luego de eso, hizo pasar cada color por un prisma y vio que cada uno se desviaba, o se refractaba, de distinta manera, pero seguía siendo el mismo color. El rojo es el que menos se refracta y el violeta el que más se refracta.
Santi 4: Es por eso que los colores del arcoíris tienen un orden y podemos decir que el blanco no es en realidad un color, no está en el arcoíris. El blanco es la suma de todos los colores.
Por el contrario, la ausencia de luz y entonces de color, la experimentamos como el negro, que por supuesto tampoco es un color.
Marga 5: La noción de refracción es muy importante y explica el cambio de dirección que sucede cuando la luz pasa de un medio a otro. Se mide con un número: el índice de refracción.
Cada color tiene un índice de refracción diferente.
Santi 5: Esto se explica porque las luces de diferente color se propagan con diferentes velocidades en el agua, en el aire y en el vidrio. En general, la velocidad de la luz depende del color de ella y del medio en el que se propaga. Por eso la luz se tuerce o se quiebra, cuando cambia de medio. Por ejemplo, si observamos un lápiz en un vaso de agua, la parte del lápiz que está en el agua se ve desviada.
Marga 6: Hay muchos ejemplos de refracción, como cuando vemos a una persona en una piscina, donde la parte del cuerpo que está fuera del agua tiene distinta dirección que la que está dentro del agua. O cuando pescamos y vemos el pez en una posición que está desviada de la posición real del pez. Eso ocurre porque la luz cambia de dirección cuando pasa del agua al aire.
Santi 6: Ese índice de refracción que mencionaste antes Marga, depende del material y del color de la luz. Cuando la luz llega a la superficie de separación de dos medios, parte de ella se transmite, refractándose, y parte de ella se devuelve, lo que se conoce como reflexión.
Todas las luces de diferente color se reflejan con el mismo ángulo, pero se refractan de manera diferente. El rojo es el color que menos se refracta, porque el índice de refracción correspondiente a la luz roja es el más pequeño, mientras que la luz violeta es la que más se refracta porque para ella el índice de refracción es mayor.
Marga 7: Por eso los colores del arcoíris tienen un orden. O sea, los fotones rojos forman una banda de color rojo, los azules generan una banda de color azul. En la atmósfera, las gotas de agua juegan un papel similar al de un prisma: desvían la luz solar que les llega, separando los diferentes colores formando un arcoíris.
Santi 7: Ah, entonces esa separación de los hermosos colores del arcoíris es porque está ocurriendo el proceso de refracción, debido al cambio de medio del aire al agua y al salir de la gota nuevamente hay otra refracción del agua al aire. Es justamente la forma casi esférica de una gota de agua la que permite que sean muchos los caminos que puede seguir la luz que entra y sale de la gota.
Vendedor: A la orden, tenemos arepas, empanadas…
Marga 8: No, mucha gracias.
Santi 8: No, gracias.
Ay mirá, se fue el arcoíris.
Marga 9: Sí, no duró mucho… Pero sigamos hablando de los arcoíris, es un tema muy interesante.
Santi 9: Para que la separación de luz sea observable y se forme un arcoíris deben darse unas condiciones especiales.
Marga 10: Para poder observar un arcoíris se necesita un ángulo de 42 grados entre los rayos de la luz del sol que ingresan a la gota y los rayos que salen de ella y llegan a nuestros ojos.
Por eso solo podemos ver el arcoíris en las mañanas y en las tardes pero no al medio día.
Además, no se necesita lluvia para ver un arcoíris. Yo he visto arcoíris en las gotas de agua que se forman cuando se riegan las plantas en el jardín, o en un campo de cultivo durante un día soleado en las gotas de agua que están en la niebla. O en las gotas de agua que se esparcen en una cascada.
Santi 10: La observación del arcoíris depende del tamaño de la gota de agua y la cantidad de ellas, y más maravilloso aún, es un efecto óptico que depende de nuestra posición en relación con el sol y la presencia de las gotas de agua.
Pueden ocurrir varias reflexiones al interior de la gota de agua antes de que esa luz llegue a nuestros ojos. Para observar el arcoíris es necesario que las reflexiones que se dan al interior de la gota de agua sean tales que la cantidad de luz reflejada nos permita verlo.
Marga 11: Exacto, y es la razón por la cual podemos ver un doble arcoíris en algunas ocasiones, porque si los rayos de luz son suficientemente intensos, una segunda reflexión al interior de la gota tendrá la intensidad para hacer visible otro arcoíris, el cual es menos intenso y está invertido. Es decir, un arcoíris primario tiene color violeta en el interior del arco y uno secundario lo tendrá en el exterior.
Esa reflexión especial la conocemos como reflexión total interna.
También el tamaño y cantidad de las gotas de agua importa, cuando hay muchas gotas de agua el arcoíris deja de ser visible.
Santi 11: Nuestros ojos y nuestro cerebro codifican la energía de la luz por medio del color porque las luces o los fotones de la luz tienen diferentes energías. El arcoíris es un fenómeno en el cual hay una separación de la luz en sus diferentes estados de energía. Pero la refracción y la reflexión no son las únicas maneras de separación de la luz en colores. No todos los fenómenos de color que vemos en el cielo son arcoíris.
Marga 12: Uy sí, hay una gran diversidad de fenómenos de color en la atmósfera como los halos de anillos coloridos. Ellos se deben a la presencia de cristales de hielo en la atmósfera.
El agua cristaliza de muchas formas distintas. Cuando la luz atraviesa algunos cristales sucede la refracción. Pero si los cristales son muy muy pequeños sucede otro proceso físico que se llama la difracción y es el efecto de doblamiento de la luz. Ese doblamiento depende de la energía de cada color y de la forma del cristal.
Santi 12: Así como el arcoíris depende de la forma de las gotas de agua, la formación de halos depende de la forma del cristalito de agua. Por eso hay muchas formas de halos en las que la luz se separa en sus diferentes colores o lo mismo, en las diferentes energías de los fotones.
Marga 13: Es decir que, la difracción y la refracción son procesos físicos que permiten separar la luz en sus diferentes energías.
Hay muchos fenómenos espectaculares del color en la atmósfera cuando la luz se refracta y se difracta en las nubes, en la niebla o en partículas que hay en la atmósfera y forman halos, anillos y coronas mezclados con los colores de las nubes iridiscentes.
FIN
Literatura y videos consultados
Buick, T. (2010). The rainbow sky: an exploration of colors in the solar system and beyond.
Springer Science & Business Media.
Gunther, L. (2012). The physics of music and color (p. 222). New York: Springer.
El Arco Iris - The Rainbow ¿Cómo se forma?, Profesor Sergio Llanos (https://www.youtube.com/watch?v=crLHRhPaFs0)
Ciencia en todas partes - ARCOIRIS, ConectadosTV (https://www.youtube.com/watch?v=vakHGKsSDTw) Fenómeno Óptico de un arcoíris, Miguel Bermeo (https://www.youtube.com/watch?v=0aQmtG8uOgU) MÁS MITOS METEOROLÓGICOS
(https://www.youtube.com/watch?v=OeM-l_b4L9c)
And if, in addition to contemplating the beauty of the colors of the rainbow and butterflies, we venture to understand why we see them and why they occur, we may be sure of a fuller enjoyment.
Episode 3. The beauty of the rainbow: What does it hide?
Translated by Margarita Granada Agudelo
Marga 1: Look what a beautiful rainbow.
Santi 1: Yes, it’s very pretty. But, did you know that the other day the edge of a glass door was emitting a stream of light and it looked like the colors of the rainbow and it could be seen all over the floor?
Marga 2: Seeing the colors of a rainbow, a sunset, butterflies, hummingbirds give joy, right?
Santi 2: And why are there colors?
Marga 3: Come on, let's read about that topic. It is true that we are immersed in a world of light and color. The least we can do is learn something about these phenomena, right?
Santi 3: Of course. It is very interesting; science has spent a lot of time wanting to understand what color is. Why does light have color? Is it a property of light?
Marga 4: Many scientists have studied the relation between light and color. But it was Isaac Newton who demonstrated that the white light of the sun passing through a prism decomposes into the colors of the rainbow. After getting the rainbow, Newton had a great idea, which was to pass all the colors through another prism. There, he saw the white light appear again. After that, he passed each color through a prism and saw that each one deviated, or refracted, in a different way, but it was still the same color. Red is the one that refracts the least and violet the one that refracts the most.
Santi 4: That is why the colors of the rainbow have an order and we can say that white is not really a color, it’s not in the rainbow. White is the sum of all the colors. On the other hand, we experience the absence of light, which is the absence of color, as black, which is not a color, of course.
Marga 5: The notion of refraction is very important, and it explains the change of direction that happens when light passes from one medium to another. It is measured with a number:
the refractive index. Each color has a different refractive index.
Santi 5: This is explained by the fact that rays of different colors propagate at different speeds in water, air and glass. In general, the speed of light depends on its color and the medium in which it propagates. That is why the light twists or breaks when the medium changes. For example, if we look at a pencil in a glass of water, the part of the pencil that is in the water is deflected.
Marga 6: There are many examples of refraction. When we see a person in a pool, the part of the body that is outside the water has a different direction than the one that is inside the water. Or, when we are fishing and we see the fish in a position that is deviated from its actual position. This happens because light changes direction when it passes from water to air.
Santi 6: Marga, that refractive index that you mentioned depends on the material and the color of the light. When light hits the interface of two media, part of it is transmitted, refracting, and part of it is reflected. All rays of light of different colors are reflected at the same angle, but they are refracted differently. Red is the color that refracts the least, because the refractive index corresponding to red light is the smallest, while violet light is the one that refracts the most because for it the refractive index is higher.
Marga 7: That is why the colors of the rainbow have an order. The red photons form a red band, the blue ones generate a blue band. In the atmosphere, water drops play a role similar to that of a prism: they deflect the sunlight that reaches them, separating the different colors forming a rainbow.
Santi 7: Ah, so that separation of the beautiful colors of the rainbow is because the refraction process is occurring, due to the change of medium from air to water and when leaving the drop again there is another refraction of water to air. It is precisely the almost-spherical shape of a drop of water that allows different paths of the light that enters and leaves the drop. For the separation of light to be observable and a rainbow to form, special conditions must be met.
Seller: We have arepas, empanadas…
Marga 8: No, thank you very much.
Santi 8: No, thanks.
Oh look, the rainbow is gone.
Marga 9: Yes, it didn't last so much … But let’s keep talking about rainbows, it is a very interesting subject.
Santi 9: For the separation of light to be observable and a rainbow to form, special conditions must be met.
Marga 10: To be able to observe a rainbow, a 42-degree angle is needed between the rays of sunlight entering the drop and the rays leaving it and reaching our eyes. That is why we can only see rainbows in the mornings and afternoons but not at noon.
Besides, you don't need rain to see a rainbow. I have seen rainbows in the drops of water that are formed when plants are watered in the garden, or in a field on a sunny day in the droplets of water that form the mist, or in the drops of water that spread in a waterfall.
Santi 10: The observation of the rainbow depends on the size of the water drop and the amount of them, and even more wonderful, it is an optical effect that depends on our position in relation to the sun and the presence of the water drops.
Several reflections can occur inside the water drop before light reaches our eyes. To observe the rainbow, it is necessary that the reflections that occur inside the water drop are such that the amount of reflected light allows us to see it.
Marga 11: Exactly, and that is the reason why we can see a double rainbow on some occasions, because if the rays of light are intense, a second reflection inside the drop will have the intensity to make another visible rainbow, which is less intense and reversed. That means that a primary rainbow has a violet color on the inside of the arc and a secondary rainbow will have it on the outside. That special reflection is known as a total internal reflection...
The size and quantity of the water droplets also matter. When there are many water droplets, the rainbow is no longer visible.
Santi 11: Our eyes and our brain encode the energy of light by means of color because lights or photons of light have different energies. The rainbow is a phenomenon in which there is a separation of light in its different energy states. But refraction and reflection are not the only ways of separating light into colors. Not all the color phenomena we see in the sky are rainbows.
Marga 12: Yes, there is a great diversity of color phenomena in the atmosphere such as the colored ring halos. They are due to the presence of ice crystals in the atmosphere. Water crystallizes in many different ways. When light passes through some crystals, refraction occurs. But if the crystals are very, very small, another physical process called diffraction happens and it is the bending effect of light. This bending depends on the energy of each color and the shape of the crystal.
Santi 12: Just as the rainbow depends on the shape of the water droplets, the formation of halos depends on the shape of the water crystal. That’s why there are many forms of halos in which the light is separated into its different colors or in the different energies of the photons.
Marga 13: In other words, diffraction and refraction are physical processes that allow light to be separated into its different energies.
There are many spectacular color phenomena in the atmosphere when light refracts and diffracts in clouds, fog or particles in the atmosphere and forms halos, rings, and crowns mixed with the colors of iridescent clouds.
END Consulted literature and videos
Buick, T. (2010). The rainbow sky: an exploration of colors in the solar system and beyond.
Springer Science & Business Media.
Gunther, L. (2012). The physics of music and color (p. 222). New York: Springer.
El Arco Iris - The Rainbow ¿Cómo se forma?, Profesor Sergio Llanos
(https://www.youtube.com/watch?v=crLHRhPaFs0) Ciencia en todas partes - ARCOIRIS, ConectadosTV (https://www.youtube.com/watch?v=vakHGKsSDTw) Fenómeno Óptico de un arcoíris, Miguel Bermeo (https://www.youtube.com/watch?v=0aQmtG8uOgU)