La naturaleza de la luz

La refracción de la luz es el cambio de dirección y de velocidad que experimenta una onda cuando cambia el medio a través del cual se propaga. Para que este fenómeno suceda es necesario que la luz incida oblicuamente en la superficie que separa ambos medios y que su índice de refracción sea distinto. El índice de refracción es el cociente entre la velocidad de propagación de la luz en el vació y len el medio en cuestión. Así pues, el índice de refracción del vacío es 1, en del agua 1,33 y el del vidrio 1,52 .

Un ejemplo simple de refracción en el de la figura 1. La pajita incide de forma oblicua en el agua y la imagen resultante muestra una desviación debida al cambio de medio de propagación de la luz.

Figura 1

La luz blanca está compuesta por distintas radiaciones de diferente colores. Esto se comprueba cuando se hace que la luz blanca atraviese un prisma (figura 2a). Al cambiar el medio por el que se propaga (aire) a otro diferente (vidrio) sufre una refracción que hace que se disperse y se descomponga en diferentes colores.

Cada uno de esos colores se corresponde con un tipo de radiación diferente, en forma de ondas con distinto grado de estiramiento. Se denomina longitud de onda a la distancia entre dos crestas consecutivas del tren de ondas. Así, si observamos la figura 2b, veremos que la luz roja se corresponde con una ondulación más estirada, es decir, que su longitud de onda es mayor que las demás. A medida que nos fijamos en las que le siguen, vemos que las ondas están cada vez más comprimidas, hasta llegar al azul, que es el que tiene menor longitud de onda.

Figuras 2a y 2b

La refracción se origina en el cambio de velocidad de propagación de la onda, cuando pasa de un medio a otro. En la figura 2a, cada una de las ondas que incide en el prisma tiene la misma velocidad. La frecuencia de una onda nunca cambia al pasar de un medio a otro. La onda de luz blanca que pasa del aire al prisma sufre una disminución en la longitud de onda que se traduce en una disminución en su velocidad de propagación (velocidad de grupo), por lo tanto el índice de refracción no depende de la frecuencia de la luz. El color rojo tiene una mayor longitud de onda que el violeta, por ende al ingresar al prisma experimenta una disminución en su longitud de onda. Cada color tiene su propia velocidad de propagación dentro del prisma.

Imaginemos por un momento que cada una de las líneas onduladas de la figura 2b es un hilo de diferente color. Y ahora imaginemos que los estiramos todos hasta tensarlos. ¿Cuál sería el más largo?. Evidentemente, el azul. Eso nos indica que, para propagarse de un punto a otro, la luz azul recorre un camino más largo que las demás, puesto que hay más ondas azules que de ningún otro color.

El color del cielo

Que el cielo diurno sea de color azul se debe a la interacción de la atmósfera con los rayos del Sol. La atmósfera terrestre es como un océano lleno de moléculas gaseosas (78% nitrógeno, 21% oxígeno más otros en cantidades menores), junto a cristales, partículas de polvo y cenizas en suspensión. Su densidad es mayor a medida que nos acercamos a la superficie terrestre.

Figuras 3a y 3b

El color azul del cielo se debe a la dispersión de Rayleigh, que se refiere a la dispersión selectiva de la luz por partículas cuyo tamaño es menor que un décimo de la longitud de onda de la luz.  Cuando la luz del Sol que llega del espacio entra en la atmósfera, la mayor parte de la luz roja, anaranjada y amarilla, de longitudes de onda más largas, pasa sin ser casi afectada (figura 3a). Sin embargo, la luz azul, de longitud de onda más corta, es dispersada por las moléculas gaseosas del aire. No sólo se dispersa al llegar a la atmósfera, sino que lo sigue haciendo al atravesarla, al encontrarse con más y más partículas., lo que provoca que el fenómeno se extienda y nos parece que la luz azul procede de todas partes (figura 3b).
 

La luz de mayor longitud (rojo, naranja, amarillo) no se ve tan afectada por las partículas de la atmósfera y apenas se dispersa, por lo que percibimos el Sol como si fuera amarillo, cuando en realidad no lo es tanto.

Figuras 4

Durante el día, se puede apreciar que el color azul del cielo palidece cuanto más nos acercamos al horizonte. Esto se debe a que, en este caso, la luz del cielo debe atravesar una mayor cantidad de aire, siendo nuevamente dispersada, mostrando una tonalidad azul pálida o blanquecina.

Durante la puesta y salida del Sol o la Luna se hace evidente el enrojecimiento del cielo. La luz debe atravesar entonces una masa de aire mayor, más densa, con mayor concentración de partículas de polvo o gotitas de agua, que reflejan la luz blanca en todas direcciones. La dispersión de Rayleigh, eliminan las longitudes de onda más cortas, por lo que que el cielo se enrojece.

Si observamos las fotografías tomadas en la ISS o el la Luna, veremos que en el espacio exterior, el Sol se ve blanco y el cielo negro. Al no haber moléculas que dispersen la luz, todas las longitudes de onda de la luz solar nos llegan por igual y el Sol se ve blanco. Y el cielo se ve negro porque no hay nada que disperse la luz.