Sol azul y Luna azul, raros fenómenos atmosféricos

¿Por qué (muy raras veces) vemos el Sol azul o la Luna azul? Como la espectacular foto de un Sol azul en un marco de pirámides (arriba) o la foto de la Luna azul mediante telescopio (abajo). Una explicación sencilla aparece en la Nota de Peter Pesic, “A simple explanation of blue suns and moons,” EUROPEAN JOURNAL OF PHYSICS, 29, N31-36, 2008 , basado en el uso de ideas simples sobre la difracción de ondas: cuando la luz pasa por un medio con partículas con un tamaño similar a su longitud de onda, los máximos de difracción más fuertes permiten el paso de las longitudes de onda más cortas (hacia el azul) y la dispersión hacia el cielo circundante de las más largas (otros colores). El resultado es una inversión de los colores que normalmente vemos en el cielo, apareciendo el Sol o la luna azul, en lugar del cielo.

Esta situación física es similar a la que observamos en las cajas acústicas de nuestro equipo de sonido. Los altavoces dispersan los sonidos que emiten en un cono más estrecho conforme más agudo (alta frecuencia) es el sonido emitido. Por ello, los “tweeters” (altavoces o vías de agudos) tienen pequeños aberturas para dispersar más ampliamente, gracias a la difracción del sonido, los agudos, mientras que los “woofers” (altavoces o vías de graves) tienen un tamaño mucho mayor para lograr lo mismo con las frecuencias bajas.

Considerando que las partículas que dispersan la luz son circulares, el primer anillo oscuro en la curva de difracción tiene un ángulo θ (medido a partir de la dirección de visión) dado por seno(θ) = 1.22*λ/(2a), donde 2a es el diámetro de la partícula, λ es la longitud de onda de la luz, y el factor 1.22 proviene de una consideración detallada de las funciones de Bessel que aparecen en la teoría de la difracción (el artículo muestra algunos detalles más, pero no muchos más; aún así la teoría es ampliamente conocida en óptica ondulatoria). Fáclimente deducimos que la luz emitida por cada punto del disco visible del Sol, por ejemplo, que pasa por una atmósfera en la que se encuentran en dispersión partículas cuyo radio es cercano a 500 nm (nanómetros) se dispersará con un ángulo para las frecuencias azules θ(azul) = 35◦, que es mucho menor que para las frecuencias rojas θ(rojo) = 52◦. De esta forma, el disco solar visible en la dirección en la que miramos aparecerá mucho más azul, mientras que la luz dispersada en otras direcciones aparecerá más roja. Por ello, a veces, el Sol azul se observa rodeado de sombras de tonos rojizos, rosados, o incluso amarillentos. Ver la foto de arriba.

Esta explicación simple tiene la ventaja que justifica fácilmente la rareza del fenómeno. Es raro que las partículas atmosféricas tengan un tamaño tan pequeño, cercano a los 500 nm. Por supuesto, este fenómeno puede ser recreado fácilmente en el laboratorio, con humo o con partículas de poliestireno suspendidas en agua. En resumen, tanto la Luna azul como el Sol azul ocurren porque la luz de longitud de onda similar al radio de las partículas de la atmósfera en que es dispersada pueden “rodear” a la partícula de tal forma que generan una interferencia constructiva que intensifica ciertas frecuencias en detrimento de otras, dependiendo del tamaño de éstas.

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