I

No hace falta mirar al cielo para verlo. Sabemos que es más o menos azul, aunque esta manera de expresarlo es una recopilación que encierra todas las tonalidades que conocemos, que van del celeste al gris plomizo y otras más o menos oscuras. 

Ese color característico, aunque no estático, viene determinado por las propiedades de la difusión de la luz que llega del sol en la atmósfera, la cual, en origen, corresponde a un espectro continuo que contiene todas las longitudes de onda, pero cuyo recorrido a través de las capas atmosféricas y debido a la estructura y propiedades de nuestra visión hacen que percibamos el azul como color fundamental.

La naturaleza de la luz es observable usando las propiedades de la partículas que conforman la atmósfera, y las características mecánicas, termodinámicas y electromagnéticas de sus constituyentes. Este modo de explicación proporciona la ventaja de que es posible, en cierta manera, actuar sobre ella, y predecir ciertos tipos de procesos.

El viaje de la luz al llegar a la atmósfera

La luz que emite el disco amarillo que conforma el sol al atravesar la cortina de atmósfera terrestre llega privada en gran parte de la onda corta de su espectro, así, lo que nos queda para ver del sol es un débil color amarillo.

Pero la luz procedente de la estrella puede adquirir otras tonalidades entre el naranja y el rojo, debido a que los rayos solares recorren a veces un camino más largo al atravesar la atmósfera, dependiendo de las posiciones, alturas, ángulos de inclinación y otras características.

Conversaciones con Rayleigh

Leer un poco de lo que pensó J. S. Rayleigh es muy útil para entender por qué el azul es color con el que preferentemente vemos el cielo, que ya hemos insinuado. 

La teoría de la difusión de la luz que en 1898 elaboró este científico relaciona la longitud de onda y su interacción con partículas de dimensiones mucho menores. Encontró que las moléculas son más eficaces para dispersar la luz de longitud de onda corta (como el azul), que la luz de longitud de onda larga. Así, lord Rayleigh halló que la intensidad de la luz difusa es inversamente proporcional a la longitud de onda elevada a cuatro .

Tratemos de entender la relación que hay entre esta expresión matemática, que es la escritura de la observación física, y el color que vemos al mirar el cielo. Las ondas electromagnéticas que constituyen la luz se encuentran con los átomos formados por núcleos y electrones cargados. En un campo electromagnético, las partículas cargadas se mueven siguiendo un movimiento armónico simple como este:

x(t) = A₀senωt

Aquí, representa la amplitud de la oscilación y  la frecuencia de la onda de luz. En un movimiento de este tipo la carga sufre una aceleración:

 x(t)=-A₀ω²senωt

Una carga sometida a un movimiento acelerado es, a su vez, una fuente de radiación electromagnética (es decir, que da lugar a ondas secundarias), la amplitud de estas ondas secundarias es proporcional a la aceleración de la partícula cargada que emite, y la intensidad es proporcional al cuadrado de la amplitud y por tanto a la frecuencia elevada a 4, ω⁴.

La longitud de onda y la frecuencia son inversas; veamos, la relación entre las longitudes de onda roja y azul es de 1,44⁴ nm = 4,3 nm.

Expresado de otro modo, según la ley de Rayleigh, la intensidad de la luz difusa azul en la atmósfera es cuatro veces mayor que la intensidad de la luz roja (más o menos). Por tanto, considerando una capa atmosférica de varias decenas de kilómetros de espesor atravesada por un conjunto de rayos de luz, esta adquirirá una coloración azulada.

La difusión de la luz con la mirada del siglo xx

En 1910, Einstein elaboró la teoría cuantitativa de la difusión molecular de la luz, con la hipótesis de que la falta de homogeneidad de su densidad se debe a la opalescencia crítica que consiste en la aparición y desaparición de la curva (menisco) en la interfase líquido-gas de un fluido alrededor de su punto crítico (punto en el que coexisten los dos estados). La intensidad de la luz difusa calculada para los gases según la fórmula de Einstein coincide con el resultado obtenido por Rayleigh. 

Pero ¿por qué la densidad del aire no es homogénea?, parece que en una situación de equilibrio termodinámico debería serlo. Ya que el aire es un gas compuesto de gran número de partículas, el método más eficaz de estudiarlo es la mecánica estadística. Esto significa que no se analiza el estado de cada partícula, sino el valor medio de todo el sistema en general. Las regiones atmosféricas donde la falta de homogeneidad es mayor se originan debido a que el tamaño de esta falta de uniformidad es mucho menor que la menor longitud de onda de la luz visible, pero a su vez es mayor que los tamaños de las moléculas de gas que forman el aire.

II

Cielo encapotado, charla con nuestro meteorólogo favorito

Sobre nuestras cabezas algunas veces aparece un sombrío cielo encapotado, que, a grandes rasgos, está constituido por masas nubosas con aspecto de enormes conglomerados blancos-grisáceos de formas caprichosas. 

Los expertos en física del aire y en meteorología explican la diversidad de las nubes, según el modo en que se originan y las condiciones atmosféricas del entorno que las auspicia. No son lo mismo las nubes construidas por convección de aire caliente y húmedo procedente de la superficie terrestre (los cúmulos) que los estratos o los nimbos. Pero sea cual fuere su origen, las nubes, al menos en una mirada rápida, presentan un color blanquecino-grisáceo más o menos continuo.

El color de las nubes típicas de lluvia: los cúmulos

A medida que el aire cargado de humedad va ascendiendo, su temperatura disminuye; conviene recordar que la temperatura desciende muy rápidamente con la altura (más o menos un grado Celsius cada cien metros) y en algún momento el aire húmedo que se eleva llega a la altura en la cual la temperatura corresponde al punto de condensación, entonces se empiezan a formar pequeñas gotas, el límite inferior de la nube (la base), que se origina en esta isoterma (línea de igual temperatura), tiene cientos de metros y a veces hasta miles.

Pero la nube crece en altura también, debido a la condensación continua al elevarse el aire, aunque en este caso no alcanza los mismos valores que en el crecimiento longitudinal, consigue hasta decenas de metros. 

El aire continúa enfriándose, y sale de la nube ya formada, y a medida que se va elevando, el vapor de agua continúa condensándose dando origen a pequeños cristales de hielo, más o menos así se cierra la nube por su parte superior. Una vez que el aire pierde la humedad, y va enfriándose, inicia el descenso rozando la nube y el proceso acaba formando las crestas características de los cúmulos, dejando esos trazos blanquecinos que se pintan en tantas ocasiones en el cielo tierra adentro, y también en la costa. 

III

Luz de arte 

Otra actitud gozosa al contemplar la luz (no solo la del cielo) es la que nos ofrecen los artistas pintores, los fotógrafos, los cineastas y otras personas que aprenden a relacionarse con la luz y a mostrarnos sus aspectos más hermosos y también más divertidos y juguetones, como aquellos juegos cuyo principal misterio es el uso de luz: trampantojos, trucos de magia y otros.

He aquí un mínimo esbozo de la importante relación de la luz y el arte de la pintura, para sugerir otras relaciones, otras visiones y sobre todo el entrelazamiento que existe entre arte y ciencia. Veamos el caso de un pintor relevante, pero hay muchísimos más, una lista inagotable.

El pintor Veermer y luz a través de una ventana

El holandés Johannes Veermer, minucioso observador de la luz en la vida cotidiana, muestra a través de sus pinturas de ambiente doméstico la sutil gama de colores y sus diversas tonalidades debido al juego de luces y sombras; por ejemplo, los tonos que se obtienen al iluminar personas y objetos mediante una estrecha franja de luz que se cuela a través de los vidrios de una ventana, el pintor presenta con una maestría minuciosa sorprendente la influencia de la posición exacta de las cosas y el ángulo que forma la luz que ilumina al petrificar una escena cotidiana, cuyos detalles serían difícilmente perceptibles por el puro dinamismo natural, así la normalidad casi anodina en manos del pintor se convierte en una obra de arte, y en una observación científica. 

Esta visión pictórica evoca muchas otras situaciones de mirada minuciosa y creativa, por ejemplo si nos situamos felizmente a la orilla del mar o frente a un bello campo de acianos u otras flores azules, nuestro cerebro se empapa de azul, y de los juegos de luz y sombras, de reflejos y de espejismos.