Serie 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 4. Un cielo de colores
Marga 1: Oye Santi, cuando uno empieza a inquietarse por el tema de los colores en la naturaleza, se da cuenta de que estamos rodeados de color y eso es muy bonito. Pero, como lo que hemos dicho, es más interesante cuando entendemos la ciencia que hay en lo que observamos.
Hoy por ejemplo el cielo estuvo rojizo al amanecer, luego azul al mediodía y en el atardecer rojo, amarillo y naranja.
Santi 1: Muy cierto Marga. El cielo de hoy estuvo precioso.
Pero no es posible que no sepamos de dónde vienen los colores de nuestro propio cielo.
Aprendamos más sobre eso.
Marga 2: A propósito, recuerdo las imágenes de fotos tomadas cuando el Apolo 11 aterrizó en la Luna ¡El cielo de la Luna es negro! Es como si siempre estuviera de noche en la Luna.
Santi 2: Lo que sabemos es que, en la Luna, los astronautas andan a brinquitos porque pesan mucho menos que en la Tierra. Por ejemplo, una persona que pesa 60 kilogramos-fuerza en la Tierra, pesará 10 kilogramos-fuerza en la Luna. O sea, que la Luna atrae los cuerpos que se mueven sobre su superficie con menos fuerza que la Tierra y es por eso que las moléculas de gas se escapan y la Luna prácticamente no tiene atmósfera.
Marga 3: La Tierra en cambio sí tiene varias capas de atmósfera. La más cercana a la superficie del planeta es la más densa y en ella hay muchas moléculas, como agua, hielo y polvo suficientes como para que podamos verla. Tenemos también nitrógeno, oxígeno, dióxido de carbono y mucha agua. Esta agua no solo es importante para nuestra vida, sino que es también una de las causas de los colores del cielo.
Santi 3: Eso significa que los colores que vemos en el cielo desde la Tierra sólo podemos verlos gracias a la presencia de atmósfera. Sin atmósfera el día sería tan negro como la noche
¿Cómo funciona? ¿Qué ocurre en la atmósfera?
Marga 4: En todo lo que hemos aprendido sobre el color, hay dos cosas que siempre están presentes: la materia y la luz. La luz se mueve en el vacío, pero en el vacío no es posible ver los colores del espectro visible. Por ejemplo, para que haya arcoíris tiene que haber materia, que son las gotas de agua, y luz, que es la que se refracta y se refleja en las gotas.
Santi 4: En la atmósfera de la Tierra hay todos los componentes que dijiste. Además de las partículas contaminantes que nosotros los humanos generamos. Las más livianas suben mucho en la atmósfera y se reparten por todo el mundo. Y eso que hay partículas de tamaños y formas para todos los gustos. Bueno, que haya diferentes formas significa que hay diferentes estructuras y tamaños.
Marga 5: Y como ya sabemos, la forma y el tamaño de la materia definen la interacción con la luz. De hecho, el tipo de arcoíris que vemos depende del tamaño y la forma de las gotas porque las luces de distintas energías llegan a nuestros ojos y finalmente nuestro cerebro codifica esas energías como colores.
Santi 5: Bueno Marga, concentrémonos en lo principal: ¿Qué hay detrás de todos los colores que podemos ver en el cielo? Para poder responder a esto debemos tener algunas ideas claras.
Lo primero es saber que el Sol y la Tierra están separados por una distancia gigantesca de 150 millones de kilómetros. Debido a que el tamaño de la Tierra es pequeño en comparación con esa distancia tan grande de separación, la luz del Sol nos llega prácticamente en forma de rayos paralelos.
Marga 6: Lo segundo que debemos saber es que la luz, es decir los fotones, se propagan como una onda. Una onda es un proceso que se da en el espacio y en el tiempo, por eso se dice que es espacio-temporal.
Las luces de un solo color se llaman ondas monocromáticas. Como los colores del arcoíris.
Cada color tiene una energía determinada. Cuando la luz es monocromática decimos que es una señal que se repite en el tiempo con un lapso fijo que se llama el periodo de la señal. Las veces que esa onda monocromática se repite en el tiempo se llama frecuencia.
Santi 6: La otra característica de las ondas se llama longitud de onda. Esto significa la distancia que recorre la onda en un periodo. Si la velocidad de propagación de la onda es fija, entonces la longitud de onda será fija. Luces de un solo color tienen un solo periodo, una sola longitud de onda, una sola frecuencia y una sola energía.
Dentro del espectro de la luz visible, la luz roja es la que tiene menor frecuencia, menor energía y mayor longitud de onda. Las de mayor frecuencia y energía son la luz azul y la violeta que es la que tiene mayor frecuencia, mayor energía y menor longitud de onda.
Marga 7: Lo tercero que debemos tener presente es que la luz del Sol debe atravesar las capas de la atmósfera de la Tierra y como ya dijimos, en esas capas hay moléculas de dióxido de carbono, oxígeno, nitrógeno, agua, hielo y múltiples partículas de polvo. Esas partículas tienen diferentes formas y tamaños. Las moléculas y las partículas se convierten en obstáculos para la luz.
Santi 7: Y la forma cómo la luz interactúa con esas moléculas y partículas depende de la relación entre la longitud de onda y el tamaño de la molécula o partícula. Las moléculas atmosféricas son mucho más pequeñas que la longitud de onda de la luz, así ellas sólo pueden sentir las variaciones temporales del campo de la onda de luz. En las partículas más grandes o cristales de hielo la luz puede entrar en ellas, reflejarse, refractarse y difractarse.
Como los fotones de la luz violeta y azul tienen mayor energía, entonces al interactuar con las moléculas, las perturban mucho. En cambio, los fotones de la luz roja lo hacen en menor grado.
Marga 8: Bueno, empecemos imaginando que en la atmósfera sólo hay moléculas de dióxido de carbono, oxígeno y nitrógeno, y vamos a imaginar que estamos observando el cielo al mediodía.
Cuando observamos el cielo al mediodía, el Sol está arriba de nuestras cabezas y la luz recorre la menor distancia posible dentro de la atmósfera; la luz que reciben nuestros ojos llega después de interactuar con todas las moléculas que encuentra en su camino.
Santi 8: Esas moléculas tienen un tamaño menor que la longitud de onda de la luz entonces ocurre un fenómeno que se llama esparcimiento. Más precisamente se llama el esparcimiento
de Rayleigh porque fue el científico inglés Lord Rayleigh quien explicó que la luz con menor esparcimiento es la roja. Y la luz con mayor esparcimiento es la luz azul.
Marga 9: En este caso los colores que componen un haz de luz se separan en caminos diferentes dependiendo del color. Luces violetas, azules y verdes se esparcen más allá del centro del haz de luz que las rojas, las amarillas y naranjas. O sea, en el centro del haz está la luz directa, que tiende al rojo. En las afueras del haz se esparcen las luces que tienden al violeta y al azul.
Santi 9: Al mediodía el Sol se ve amarillo-blanco y el cielo completamente azul, porque en esta situación las moléculas que hay en toda la atmósfera producen múltiples esparcimientos, mayormente de la luz azul, haciendo que nuestros ojos reciban mayor cantidad de luz azul proveniente de fotones que se esparcen en todas las direcciones.
Marga 10: Claro que también percibimos fotones de color rojo, verde, violeta y de los demás fotones de luz visible, pero serán pocos comparados con los de la luz azul. Como resultado, la luz de color azul tendrá mayor intensidad y será la más visible para nosotros. Por eso, en los días muy despejados vemos un cielo completamente azul. Mucho más azul incluso en los desiertos o lugares con poca humedad.
¿Te das cuenta Santi? ¡El azul del cielo es un azul de todos los colores! Porque el tono de azul depende de muchos factores, como la composición de la atmósfera, las variaciones de densidad, la temperatura.
Santi 10: Ahora imaginemos que ese cielo en el que solo hay moléculas lo estamos viendo al amanecer o al atardecer.
Marga 11: En ese caso, hay una diferencia fundamental, porque el recorrido que hace la luz del Sol, a través de la atmósfera, antes de llegar a nosotros, es mucho más largo al amanecer o al atardecer que al mediodía.
Santi 11: Si la luz recorre un camino más largo, entonces encuentra más obstáculos para su esparcimiento. Como resultado de esos múltiples esparcimientos, si observamos directamente hacia el sol, recibimos menos cantidad de fotones azules y mayor cantidad de fotones rojos, haciendo que la intensidad del rojo sea mayor y por eso observamos al amanecer o al atardecer un cielo de tono más rojizo. El efecto de esparcimiento sucede
también a los demás fotones de la luz. Por eso además de rojo, vemos colores amarillo y naranja en el atardecer.
Marga 12: Ahora, si además de las moléculas en la atmósfera hay partículas, polvos o aerosoles, que son causados por actividades humanas contaminantes, o por efectos naturales como incendios forestales, arenas o erupciones volcánicas, esas partículas causan efectos ópticos en la atmósfera, porque se convierten en obstáculos para la luz.
Santi 12: Como tienen diferentes tamaños, porque unas son de mayor tamaño que la longitud de onda de la luz visible y otras son de tamaño comparable a la longitud de onda de la luz, afectan la luz de manera diferente a como lo hacen las moléculas.
Marga 13: Las partículas de contaminación proporcionan más puntos de esparcimiento para los fotones, y por esto al amanecer o al atardecer serán entonces más intensos el rojo, el amarillo y el naranja. Al mediodía será más intenso el azul del cielo.
Santi 13: Bueno, y en la atmósfera también hay agua y puede formar gotas o cristalitos de hielo. Veamos qué sucede con la luz cuando interacciona con las gotas de agua en las nubes. De nuevo, el tamaño de las gotas de agua es mayor que la longitud de onda de la luz que incide sobre ellas.
En este caso también sucede un esparcimiento. Este fenómeno lo estudió un profesor llamado Gustav Mie. Por eso se llama el esparcimiento Mie.
Marga 14: Como las gotas de agua son grandes comparadas con la longitud de onda de la luz, todas las gotas esparcen la luz visible de la misma forma para todos los colores, el resultado es que vemos luz de todos los colores y por eso al azul del cielo se superponen las nubes blancas.
El tamaño de las gotas de agua, de los cristales de hielo y su cantidad determinan otros fenómenos ópticos como los halos, coronas, glorias, rayos, nubes iridiscentes y arcos.
Santi 14: Otros fenómenos ópticos unidos al esparcimiento Rayleigh y Mie suceden cuando la luz interactúa con el material particulado a causa de la polución por componentes químicos como óxidos de nitrógeno, de azufre, de carbono, partículas por la quema de combustible fósiles, la quema de caña de azúcar y otros procesos industriales. En ese caso se observa un
domo de contaminación en el que hay reacciones químicas y fotoquímicas y la luz es principalmente amarillosa. Debajo de esa capa de contaminación la temperatura incrementa permanentemente. Afectando el microclima y por tanto los ecosistemas.
Marga 15: Santi, en verdad podríamos decir que, con la polución atmosférica, hemos convertido a la Tierra en algo parecido a un fumador, llenando sus espacios de basura, por eso no podemos ver una gran cantidad de fenómenos que son visibles en una atmósfera limpia.
Santi 15: La visibilidad de las estrellas, de los halos y los otros efectos de la luz en las nieblas también se ven afectados por esta contaminación.
Marga 16: La complejidad de los fenómenos ópticos en la atmósfera es tan grande que es un premio verlos, son irrepetibles.
Santi 16: Si es verdad que es muy hermoso. Los colores de cada atardecer son una experiencia irrepetible y en ello radica su misterio y su belleza. Comprenderlos no termina con el misterio ni con la belleza, pero sí con nuestra ignorancia.
Marga 17: Los colores del cielo son hermosos. Ahora quiero entender los colores de los seres vivos. Por ejemplo, ¿Será que el color de las alas de las alas de las mariposas también tiene que ver con el esparcimiento de la luz?
FIN
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 4. A sky full of color
Translated by Santiago Patiño Abadía and Margarita Granada Agudelo
Marga 1: Santi, when we begin to think about the topic of colors in nature, we realize that we are surrounded by color and it is beautiful. However, as we mentioned before, it is more interesting when we grasp the science behind the phenomena we observe.
Today for example, the sky was reddish at dawn, then it became blue at midday and at sunset it was red, yellow, and orange.
Santi 1: It’s true Marga. The sky was very beautiful today but it is unbelievable that we don’t know where the colors of our own sky come from. Let’s learn more about that.
Marga 2: By the way, I remember the images from Apollo 11 when it landed on the Moon.
The sky of the Moon was black! It is as if it is always night time.
Santi 2: What we know is that, on the Moon, the astronauts do little jumps because their weight is much less than that on Earth. For example, one person that weighs 60 kilograms- force on Earth, would only weigh 10 kilogram-force on the Moon. This means that the Moon attracts with lesser force the bodies that are on its surface than the Earth. That is why the gas molecules escape easily and the Moon practically does not have an atmosphere.
Marga 3: On the other hand, the Earth does have an atmosphere with multiple layers. The closest to the surface is the densest and in it we find a lot of molecules, like water, ice and dust in enough quantities so we can see it. We also have nitrogen, oxygen, carbon dioxide and lots of water molecules. This water is not only important for our life but also is one of the causes of the sky’s colors.
Santi 3: This means that the colors we see on Earth are only possible thanks to the atmosphere. Without an atmosphere, the day would be as black as the night. How does that work? What happens in the atmosphere?
Marga 4: From all the things we’ve learned about color, there are two things that are always present: matter and light. Light moves through vacuum but in vacuum it's not possible to see
the colors of the visible spectrum. For example, in order to have a rainbow, we must have matter like water droplets and light which refracts and reflects in the droplets.
Santi 4: On Earth’s atmosphere we have all of those components that you just said. We can’t forget all of the pollutants that we generate. The lightest ones go to the upper atmosphere and they scatter all around the world. There are particles in all sizes and shapes, this means that there are different structures and sizes.
Marga 5: And, as we already know, the form and size of matter define the interaction with light. In fact, the type of rainbow we see depends on the size and form of the droplets because light of different energies arrives at our eyes and finally, our brain identifies these energies as colors.
Santi 5: Ok Marga, let’s focus on the main problem: What is behind all the colors in the sky?
In order to answer this, we must have some very clear ideas. The first thing is to know that the Sun and the Earth are separated by an enormous distance of 150 million of kilometers.
Since the size of the Earth is small in comparison with the distance to the Sun, the Sun’s light arrives at us practically in the form of parallel light beams.
Marga 6: The second thing we must know is that light, in other terms photons, propagate as a wave. A wave is a process given in space and time; this is why it is called the space-time process.
Light from only one color is called monochromatic waves. Just as the colors from the rainbow. Each color has a specific energy. When light is monochromatic, we say that the signal repeats itself over time with a fixed interval, which we call the period of the signal.
The times this monochromatic wave repeats over time it’s called the frequency.
Santi 6: Another important characteristic of waves is the wavelength. This means the distance traveled by the wave over a period. If the wave’s velocity of propagation is fixed, then the
wavelength is also fixed. Lights from a single color have a unique period, unique wavelength, unique frequency and unique energy.
Inside the visible spectrum, red light has the lowest frequency value, lowest energy and highest wavelength. Those with highest frequency and energy are blue and violet light, which is the one that has the highest frequency, energy and lowest wavelength.
Marga 7: The third aspect we need to know is that the light coming from the Sun has to travel through all the layers of the Earth’s atmosphere and as we already said, in those layers there are molecules of carbon dioxide, nitrogen, water, ice and multiple dust particles. Those particles have different sizes and forms. The molecules and particles become obstacles to the light.
Santi 7: The way light interacts with these molecules and particles depends on the relation between wavelength and size of the molecule or particle. The atmospheric molecules are way smaller than the wavelength of light, this way they only “feel” the spatial variations of the light’s field. In the bigger particles or ice crystals, light can enter inside them and refract, reflect or diffract.
Since the photons of violet and blue light have more energy when interacting with molecules, they perturbe them a lot. However, the red-light photons do it on a minor scale.
Marga 8: Alright, let’s begin imagining that the atmosphere is only composed of carbon dioxide, oxygen and nitrogen, also we’ll imagine that we are looking at a midday sky.
When we observe the sky at midday, the Sun is on top of our heads and the light travels the least possible distance through the atmosphere; the light that we receive in our eyes arrives after interacting with all the molecules that it encounters on its way.
Santi 8: Those molecules have a smaller size than the wavelength of the light so a phenomenon called scattering occurs. More precisely, it is called Rayleigh scattering because it was the british scientist Lord Rayleigh who explained that the light with least scattering is the red light and the one with most scattering is the blue light.
Marga 9: In this case, the colors that compose the beam of light separate into different paths depending on their color. Violet, blue and green lights scatter way over the center of the beam of light than the red, yellow and orange lights. This means that in the center of the beam, we find the direct light, which tends to red. On the outside of the beam, we find the scattered violet and blue lights.
Santi 9: At midday, the Sun looks yellowish-white and the sky is completely blue because in this situation, the molecules present in the atmosphere produce multiple scatterings, mainly of blue light, so our eyes receive more blue light coming from the photons scattered in every direction.
Marga 10: Of course, we also receive photons of red, green, violet lights and more from the visible spectrum but they are less in comparison with those of blue light. As a result, the blue light will have more intensity and will be more visible to us. This is why, on clear days, we see the sky completely blue. Way bluer on deserts and places with low humidity.
Do you see Santi? The blue color of the sky is a blue composed of all the colors! Because the shade of blue depends on multiple factors such as the composition of the atmosphere, density variation and temperature.
Santi 10: Now let's imagine what happens if the sky we are seeing at sunrise or sunset is composed only of molecules.
Marga 11: In that case, there is a substantial difference because the distance traveled by the light coming from the Sun, piercing through the atmosphere, then to us, is bigger at sunrise or at sunset than it is at midday.
Santi 11: If light travels a longer distance, then it will encounter more obstacles to scatter with. As a result, if we look directly at the Sun, we receive less number of blue photons and more red photons, making the intensity of the red light greater. This is why we see the sky in
shades of red at sunrise or sunset. The scattering effect also occurs on other light photons.
That’s why we see, apart from red, yellow and orange at sunset.
Marga 12: Now, if we take into account that the atmosphere is not only composed of molecules but also of particles, dust or aerosol some of them created by pollution caused by human activities, or natural effects such as forest fires, sands or volcanic eruptions, those particles produce other optical effects in the atmosphere, since they are obstacles to the light.
Santi 12: Since they have different sizes, some have a bigger size than the wavelength of the visible light while others have their size comparable to that of the wavelength of the visible light, they affect the light differently compared to the molecules.
Marga 13: The pollutant particles produce more points of scattering for the photons, this is why at sunset or sunrise the red, yellow and orange will be the most intense. At midday, the most intense color will be blue.
Santi 13: Alright, in the atmosphere there is water that can form droplets or ice crystals. Let’s see what happens when light interacts with those droplets in the clouds. Again, the size of the droplets is bigger than the wavelength of the incident light.
In this case, there is also scattering. This phenomenon was studied by professor Gustav Mie.
We call this scattering: Mie scattering in honour of this scientist.
Marga 14: Because the water droplets are big in comparison with the light’s wavelength, all droplets scatter the visible light in the same way for all the colors, the result of this is that we see light composed of all colors and that is why we see a blue sky with white clouds superposed to it.
The size of the water droplets, ice crystals and their quantity determine other optical effects such as halos, crowns, glories, rays, iridescent clouds and arches.
Santi 14: Okey, other optical phenomena mixed with the Rayleigh and Mie scattering occur when light interacts with particles arising from pollution by chemical components like
nitrogen oxides, sulfur oxides, carbon oxides, particles coming from the burning of fossil material, sugar cane burnings and other industrial processes. In that case, we observe a dome of pollution in which there are chemical and photochemical reactions and light is mainly yellowish. Beneath this layer of pollution, the temperature increases permanently. This affects the microclimate and thus the ecosystems.
Marga 15: Santi, we can truly say that with the atmospheric pollution, we have transformed Earth into a smoker, filling its spaces with garbage, that is why we can’t see a part of the phenomena that are only visible in a clean atmosphere.
Santi 15: The visibility of stars, halos, and other effects of light in fogs are also affected by pollution.
Marga 16: The complexity of the optical phenomena in the atmosphere is so big, it’s a gift that we are able to see them, they are unrepeatable.
Santi 16: Indeed, it is beautiful. The colors of each sunset are an unrepeatable experience, this is where its beauty and mystery reside. Understanding them does not end with the mystery or the beauty, but it does end with our ignorance.
Marga 17: The colors of the sky are magnificent. Now, I want to understand the colors of living beings. For example, could the color of butterflies’ wings also be connected to light scattering?
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.
WELTI, R. (2013). La explicación del cielo azul. Una aventura del pensamiento.
Is There an Atmosphere on the Moon? NASA News (2013)
https://www.nasa.gov/mission_pages/LADEE/news/lunar-atmosphere.html
BBC News Mundo (2020), Qué es la dispersión de Rayleigh y qué tiene que ver con que a veces el Sol y el cielo se vean tan rojos.
Klinger A. (2019), ¿Por qué el cielo es azul?, Investigación y ciencia.
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.
WELTI, R. (2013). La explicación del cielo azul. Una aventura del pensamiento.
Is There an Atmosphere on the Moon? NASA News (2013)
https://www.nasa.gov/mission_pages/LADEE/news/lunar-atmosphere.html
BBC News Mundo (2020), Qué es la dispersión de Rayleigh y qué tiene que ver con que a veces el Sol y el cielo se vean tan rojos.
Klinger A. (2019), ¿Por qué el cielo es azul?, Investigación y ciencia.
