¿Por qué el cielo es azul?

Este ensayo académico está dirigido a estudiantes de nivel medio superior y también estudiantes universitarios que no tienen un área afín a física. El trabajo se centra en responder la premisa de ¿por qué el cielo es azul?, dando como respuesta que el color del cielo es producto del efecto del esparcimiento de la luz solar en la atmosfera. Al estudiar este efecto, se comprenderá que en realidad el color del cielo es una mezcla de violeta y azul, sin embargo, la sensibilidad de nuestros ojos hace que solo percibamos el tono azul del cielo.

1. >Por que el cielo es azul?
Hugo E. Ibarra Villalon
Posgrado en Fsica. Universidad Autonoma Metropolitana Unidad Iztapalapa.
San Rafael Atlixco No. 186, Col. Vicentina, Iztapalapa, 09340, Mexico.
Correo: [email protected]
11 de septiembre de 2017
Resumen
Este ensayo academico esta dirigido a estudiantes de nivel medio superior y tambien estudiantes universitarios que
no tienen un area afn a fsica. El trabajo se centra en responder la premisa de >por que el cielo es azul?, dando
como respuesta que el color del cielo es producto del efecto del esparcimiento de la luz solar en la atmosfera. Al
estudiar este efecto, se comprendera que en realidad el color del cielo es una mezcla de violeta y azul, sin embargo,
la sensibilidad de nuestros ojos hace que solo percibamos el tono azul del cielo.
1. Introduccion
Debido a las diversas actividades que desarro-
llamos da tras da y el estilo de vida tan agitado
de las ciudades, nos queda muy poco tiempo para
reexionar sobre los fenomenos fsicos tan cotidia-
nos que a nuestros ojos pasan desapercibidos, tal es
el caso de saber el porque del color azul del cielo.
El desconocimiento de esta premisa radica en que se
ha perdido la difusion de este y mucho conocimiento
que pareciera que son triviales, por ello se hace una
invitacion al lector para despertar su curiosidad y
transmitir el conocimiento aprendido de este ensa-
yo.
La respuesta del porque el cielo es azul surge de la
interaccion de la luz del sol con la atmosfera, antes
de conocer esta interaccion detente a pensar, >que
es la luz?, en terminos sencillos se puede denir a la
luz como una radiacion que al penetrar a nuestros
ojos permite una sensacion visual (Malacara, 2002,
p. 10). Una denicion mas formal es considerar a
la luz como la energa transportada en una onda
electromagnetica transversal emitida por las vibra-
ciones de los electrones en los atomos (Hewitt, 2005,
p.497). La esencia de este ultimo concepto se abor-
dara en la seccion 2, posteriormente en la seccion 3
se dara respuesta a la premisa >por que el cielo es
azul?
2. La naturaleza de la luz que per-
cibimos
En la actualidad se conoce que la luz esta consti-
tuida por partculas sin masa llamadas fotones, que
se maniestan en dos formas, la primera es como
una onda electromagnetica
1
y la segunda como una
partcula. La luz que percibimos (luz visible) es una
onda electromagnetica, dichas ondas fungen como
un medio de transporte de energa que va de una
fuente emisora de luz hasta un receptor, por ejem-
plo, la luz que genera el sol o las estrellas tiene que
1
Las ondas electromagneticas se describen como la vibra-
cion de un campo electrico y un campo magnetico, perpen-
diculares entre si y ambas perpendiculares a la direccion de
propagacion, estos campos se estan regenerando entre si pa-
ra no perder energa. Las ondas electromagneticas de luz se
propagan a una velocidad c=299,792,458 m/s en el vaco.
viajar como una onda electromagnetica por el es-
pacio para llegar a la tierra. La luz solar llega a la
tierra en aproximadamente 8 minutos y la luz de
las estrellas puede tardar miles o millones de a~nos
propagandose por el espacio sin perder en gran pro-
porcion su energa, por esto podemos ver su brillo
de noche, ademas es tanto tiempo el que viajo la
luz que quiza la estrella ya este muerta, metafori-
camente se dice que el cielo nocturno esta lleno de
fantasmas. La luz vista como partcula es a partir de
un ujo de fotones, en general la luz tiene este com-
portamiento en los fenomenos a nivel microscopico
que se dan en la interaccion entre la luz y materia,
por ejemplo, en el efecto que hace posible el color
azul del cielo.
La luz que percibimos tiene cierta frecuencia de osci-
lacion
2
, deniendo a esta frecuencia como el nume-
ro de oscilaciones que se producen en un segundo,
estas frecuencias estaran en la region visible del es-
pectro electromagnetico. Por lo que cada color de
luz oscilara en un rango de frecuencias, tal y como
se aprecia en la tabla de la Fig.1. En ocasiones se
hace referencia a un color de luz en funcion de su
longitud de onda, denida con la distancia que hay
entre dos maximos consecutivos de una oscilacion.
3. >Por que el cielo es azul?
Para poder comprender la naturaleza del color
azul del cielo, es necesario estudiar un caso gene-
ral en como se da la interaccion de la luz con un
gas. En principio, el gas es un estado de la materia
conformado por un arreglo de moleculas que estan
muy separadas entre si y ordenadas al azar debido a
que estan en constante movimiento. Cuando un haz
de luz incide sobre el gas, se generan vibraciones en
los electrones de las moleculas que produciran luz
(ujo de fotones), con la particularidad de que estas
moleculas re-emitiran fotones en todas direcciones,
estos fotones re-emitidos tendran la misma frecuen-
2
La frecuencia de oscilacion(vibraciones) de la onda de luz
se debe a que se produjo por las vibraciones de los electrones
en los atomos, a partir de una fuente emisora de luz, es decir,
que la onda de luz adquiere la misma frecuencia que su fuente
emisora.
1

2. Figura 1. Representacion del espectro electromagnetico en la region de luz visible.
cia que la del haz de luz incidente
3
. A este fenomeno
se le conoce como esparcimiento de la luz o tambien
como esparcimiento Rayleigh.
El color azul del cielo es el resultado de un espar-
cimiento selectivo de la luz solar en la atmosfera
(Hewitt, 2005, p. 527). La luz solar es una fuente
natural de luz blanca que corresponde a una mez-
cla de los colores que conforman el espectro de luz
visible (violeta, azul, verde, amarillo, anaranjado y
rojo). Por otra parte, la atmosfera es una composi-
cion de gases, de los cuales el oxigenoO2y nitrogeno
N2se presentan en mayor proporcion con la propie-
dad de poder absorber luz ultravioleta e infrarroja
4
,
pero no absorben la luz visible.
Cuando la luz solar incide sobre la atmosfera, el
ujo de fotones de luz cuyas frecuencias estan con-
nadas en el espectro visible, entran en contacto con
las moleculas de oxgeno y nitrogeno, por lo que se
generara el esparcimiento de la luz, ver Fig. 2. Sin
embargo, el color que vemos producto del esparci-
miento de la luz es unicamente el azul, entonces uno
se puede preguntar: >Que paso con los otros colores
del espectro visible? La respuesta a esta pregunta se
dedujo en 1871 con Lord Rayleigh, ya que a partir de
un analisis cuantitativo armo que la intensidad de
la luz solar esparcida en la atmosfera es proporcio-
nal a su frecuencia elevado a la cuarta (?
4
) (Hecht,
2017, p.89). Por lo que la luz de mayor frecuencia
5
,
al ser la mas intensa, es la luz que se esparce en ma-
yor proporcion. Esto quiere decir que, si ordenamos
los colores contenidos en la luz solar, el de mayor fre-
cuencia es el violeta seguido del azul, verde, amarillo
3
Por ejemplo, si se trata de un foton que tiene una fre-
cuencia que corresponde al color azul, este es absorbido por
la molecula del gas y se re-emite en una direccion aleatoria
con un nuevo foton de la misma frecuencia correspondiente
al azul.
4
La atmosfera y la estratosfera (con la capa de ozono)
absorben luz ultravioleta con una longitud de onda que va de
100 a 300 nm, la radiacion con estas longitudes de onda es
mortal para la vida, sin embargo, debido a que se absorbe en
un gran porcentaje, solo nos llega una peque~nsima cantidad
de esta radiacion.
5
La luz de mayor frecuencia tambien es la luz mas energeti-
ca, ya que la energa de los fotones es proporcional a la fre-
cuencia.
naranja y rojo, de hecho, solo las frecuencias de la
luz correspondientes al violeta y al azul son las que
se esparcen en mayor proporcion en el cielo. A pe-
sar de que el color violeta es esparcido en una mayor
cantidad que el color azul, nuestros ojos no son sen-
sibles al color violeta del cielo y solo predomina el
azul en nuestra vision (Hewitt, 2005, p. 522).
Los otros colores del espectro visible (amarillo, na-
ranja y rojo) al tener una frecuencia mas baja, tie-
nen un escaso esparcimiento en la atmosfera, de he-
cho, esta luz se transmite a la tierra en gran propor-
cion, por eso siempre dibujamos al sol de un tono
de color entre amarillo y rojizo. Si pudieramos estar
en la luna, en donde no existe una atmosfera que
genera el efecto del esparcimiento de la luz, el sol lo
veramos blanco y el cielo negro.
El color del cielo y del sol a lo largo del da pre-
sentan diferentes tonalidades, esto se debe a que va
cambiando la posicion de la tierra con respecto al
sol. A medioda la luz del sol se propaga a traves
de la menor cantidad posible de atmosfera para al-
canzar la supercie terrestre, en este escenario se es-
parce la luz de alta frecuencia (violeta y azul) y se
transmiten las bajas frecuencias (amarillo, naranja,
rojo) por lo que el sol parece amarillento. Conforme
pasa la tarde, la posicion del sol va cambiando por
lo que la luz tendra que propagarse por una mayor
cantidad de atmosfera de tal forma que el esparci-
miento de los colores violeta y azul se va difuminan-
do, debido a que el esparcimiento en la atmosfera de
los colores amarillo, naranja y rojo es practicamente
nulo y ya no se tiene el color azul en el cielo, enton-
ces lo que observamos es un atardecer con un tono
del sol y del cielo que se vuelven progresivamente
mas rojos, pasando por el tono amarillo y naranja
(Hewitt, 2005, p. 523).
4. Conclusiones
Al responder la premisa >por que el cielo es azul?
uno se pude dar cuenta que su explicacion esta bien
fundamentada y no se necesita ser una persona es-
pecializada en fsica para poder comprender el es-
parcimiento de la luz en un gas, en este caso, con el
2

3. Figura 2. Representacion del esparcimiento de la luz del sol sobre la atmosfera.
esparcimiento de la luz solar en la atmosfera.
Es de gran relevancia enfatizar que estamos limita-
dos por la sensibilidad de nuestros ojos, en especial
por que el cielo es mas violeta que azul, sin embargo,
nuestros ojos no nos fallan en ver como el color azul
del cielo toma una tonalidad diferente en las ciuda-
des contaminadas, esto se debe a que las partculas
contaminantes reejan la luz blanca del sol hacia la
atmosfera, observando un tono de gris y azul en el
cielo.
Hay muchos fenomenos de los colores que percibi-
mos debido a la interaccion de la luz y materia, tales
como el color de las nubes, el color de los oceanos,
la transparencia u opacidad de los materiales, entre
otros. Esperando que este ensayo haya despertado
tu curiosidad, no te detengas en investigar en la bi-
bliografa, en internet o con tu profesor de fsica la
naturaleza de todos estos fenomenos.
Referencias
[1] Hecht, E. (2017).

Optica(5

ed.). Madrid: Pear-
son Educacion.
[2] Hewitt, P. G. (2010).Conceptual Physics(10

ed.). San Francisco: Pearson Addison Wesley.
[3] Malacara, Daniel (2002).

Optica tradicional y
moderna(3

ed). Mexico: Fondo de Cultura
Economica.
[4] Weisskopf, Victor F. (1968). How light interacts
with matter.Scientic American(219), 60-71
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