Cielo Azul

El color azul del cielo, está causado por la dispersión que producen las moléculas de la atmósfera sobre la luz solar. Esta dispersión llamada dispersión de Rayleigh, es mas efectiva a longitudes de onda corta (extremo azul del espectro visible). Por lo tanto, la luz dispersada a la Tierra con un ángulo grande respecto a la dirección de la luz del sol, está predominantemente en el extremo azul del espectro.

Fíjese que el azul del cielo está mas saturado cuanto mas lejos se mire respecto del Sol. La dispersión casi blanca cerca del Sol, se puede atribuir a la dispersión de Mie, la cual, no es muy dependiente de la longitud de onda.

Las nubes, en contraste con el azul del cielo, aparecen de color blanco a gris acromático.

Las gotas de agua que componen las nubes son mucho mayores que las moléculas del aire, y la dispersión debida a ellas, es casi independiente de la longitud de onda en el rango visible.

Dispersión de Rayleigh

La dispersión de Rayleigh se refiere a la dispersión de la luz causada por las moléculas del aire, y se puede ampliar a la dispersión por partículas de hasta aproximadamente una décima parte de la longitud de onda de la luz. Es la dispersión de Rayleigh de las moléculas del aire, la que nos da el cielo azul. Lord Rayleigh calculó que, la intensidad dispersada por los dispersores dipolares mucho más pequeños que la longitud de onda es:

La dispersión de Rayleigh puede ser considerada como dispersión elástica, ya que las energías de los fotones dispersos no son cambiadas. La dispersión en la que los fotones dispersados tienen mayores o menores energías, se denomina dispersión de Raman. Por lo general, este tipo de dispersión implica la excitación de algún modo vibracional de las moléculas, dando una menor energía de fotones dispersados, o dispersando fuera un estado vibracional excitado de molécula, que añade su energía de vibración al fotón incidente.

Dispersión de Mie

La dispersión por las moléculas o partículas muy pequeñas (menos de 1/10 de la longitud de onda) es predominantemente, dispersión de Rayleigh. En las partículas de tamaño mayores que una longitud de onda, predomina la dispersión de Mie. Esta dispersión produce un patrón como un lóbulo de antena, con un lóbulo delantero más nítido y mas intenso en las partículas mas grandes.

La dispersión de Mie no es fuertemente dependiente de la longitud de onda, y cuando en el aire se encuentra una gran cantidad de partículas materiales, produce el resplandor casi blanco alrededor del Sol. También nos da la luz blanca en la bruma y la niebla.

Greenler en su escrito "Rainbows, Haloes and Glories" tiene excelentes láminas en color, que demuestran la dispersión de Mie, y su drástica ausencia en el aire libre de partículas de las regiones polares.

Dispersión de Rayleigh y de Mie

Saturación y Brillo del Cielo

Con las herramientas de color de Adobe Ilustrator en un monitor de ordenador, se hicieron medidas del color de una fotografía del cielo, llegando a un examen cualitativo sobre el brillo y la saturación del color del cielo azul. Ninguno de los datos deben ser tomados como cuantitativamente fiables, ya que la foto original se había transformado varias veces, y las medidas fueron tomadas desde un monitor de ordenador no calibrado. No obstante, podría ser útil como un ejemplo sobre la progresión del color del cielo.

Indicados por los puntos blancos superpuestos sobre la imagen de arriba, se eligieron una serie de puntos en la imagen del cielo empezando desde la izquierda. Esta claro para el ojo, que la progresión, conduce hacia un cielo mas brillante y hacia un color azul que está menos saturado, o mas pastel. En cada punto se hicieron medidas del color y del brillo, basadas en la cantidad de rojo, verde, y azul presentes. En el gráfico superior izquierda, se normalizó el brillo azul a 1, y se expresaron el rojo y el verde como una fracción del azul. Un resultado fué que el verde era significativamente mas brillante que el rojo. Esto es consistente con la dispersión de Rayleigh que hace hincapié en las longitudes de ondas mas cortas. Otro resultado fué que el verde y el rojo, aumentaba como fracción del azul, indicando con ello que el color se hacía cada vez menos saturado. Esto se puede interpretar como azul mezclado con una proporción creciente de luz blanca, lo cual es consistente con que la luz sea una combinación de la disperión de Rayleigh con la de Mie. Al acercarse en la dirección al Sol, la dispersión de Mie constituye una mayor fracción del total de luz, y esta dispersión de Mie es esencialmente blanca. El gráfico sobre el brillo general de arriba, es exactamente la suma de los tres colores, siendo el valor máximo de 1, el correspondiente al blanco del monitor. El aumento del brillo a lo largo de la trayectoria de los puntos de datos, es de nuevo consistente con una combinación de la dispersión de Rayleigh y Mie. La dispersión de Mie tiene un fuerte lóbulo hacia adelante, y aumenta a medida que se acerca en dirección al Sol.