Fenómenos Ópticos Atmosféricos

El color azul del cielo es algo tan habitual que ya no nos llama la atención y, sin embargo, la variedad de tonalidades, que cambian de día en día y de un punto a otro del cielo, es casi infinita. Este color azul se debe a que las moléculas del aire dispersan las longitudes de onda más cortas de la luz solar (que son las que se encuentran en el extremo azul del espectro de los colores), más que las longitudes de onda más largas (situadas en el extremo rojo). Cuanto más limpio está el aire, más oscuro es el tono azul del cielo. Cuando el sol está bajo, la luz atraviesa partículas de polvo atmosférico que dispersan más la longitud de onda más larga, por lo que el cielo toma un color rojo, cosa que ocurre al amanecer y al atardecer. Las gotitas de agua de las nubes y de la niebla dispersan ambos colores por igual, por lo que hacen que el cielo aparezca blanco.

Tal vez el fenómeno óptico atmosférico más conocido. Como introducción, traducimos un texto de M.G.J. Minnaert extraído de su libro "Light and Color in the Outdoors", obra de referencia obligada en estos temas, de la cual hemos obtenido la mayor parte de la información de esta página. Existe otra obra más reciente: "Rainbows, halos and glories", de Robert Greenler.

" Es una tarde de verano de calor opresivo. Por el horizonte occidental se acercan oscuras nubes: está formándose una tormenta. Rápidamente asciende un arco de nubes negras, tras el cual el cielo lejano parece a punto de aclararse; el margen del frente presenta un borde de cirros con finas bandas transversales. Cubre todo el cielo y luego pasa sobre nuestras cabezas, sobrecogiendo al observador con algunos truenos. El sol, ya bajo, vuelve a brillar. Y en la tormenta que se aleja hacia el este, aparece el ancho puente del multicolor arco iris .

En todos los casos, el arco iris está formado por el juego de la luz en las gotas del agua. Generalmente son gotas de agua de lluvia, pero a veces se trata de las finas y diminutas gotas de la niebla. Pero donde nunca se ve es en las gotas más pequeñas de todas, las de las nubes. Por tanto, si a veces escuchamos a alguien que dice que ha visto un arco iris en una nevada o en un cielo despejado, es seguro que se trataba de aguanieve o de que, en el segundo caso, a lo lejos caía alguna llovizna, cosa que a veces pasa sin que haya nubes a la vista. Intente el lector hacer más observaciones interesantes de este tipo.

Las gotas que dan origen a un arco iris generalmente no se encuentran a mucho más de unos pocos kilómetros de nosotros. En una ocasión, observé claramente un arco iris por delante del fondo oscuro de un bosque situado a unos 20 m de mí: por tanto, el arco iris propiamente dicho estaba aún más cerca. Se sabe de casos en los que un arco iris estaba a sólo tres o cuatro metros.

Según una vieja superstición inglesa, al pie del arco iris hay una olla de oro. Hay gente que, incluso hoy, se imagina que se puede llegar al pie de un arcoiris, incluso en bicicleta, y que una vez allí se ve una luz centelleante especial. Debe quedarnos claro que el arco iris no está situado en un punto fijo como un objeto real, ya que no se trata de otra cosa que luz que viene desde una cierta dirección. "

El arco iris es parte de un círculo, estando su centro en el punto antisolar, es decir el punto contrario a donde se encuentra el sol. La línea que, pasando por el observador, va del sol al punto antisolar es el eje del cono que forma la luz del arco iris que llega a nuestro ojo. Cada rayo de luz del arco iris forma un ángulo de 42º con el eje. Cuanto más bajo está el sol, más alto se ve el arco iris porque mayor es el sector del círculo que se hace visible. En ocasiones favorables, desde un avión puede verse el arco iris como un círculo completo.

A menudo se observa un arco iris secundario rodeando al primario. Es más débil que éste y forma 51º con el eje. El orden de los colores del arco iris primario es, del exterior al interior, rojo, anaranjado, amarillo, verde, azul y violeta, siendo inverso el orden en el arco iris secundario. La anchura y el brillo de cada banda varía grandemente. Es posible incluso ver varias bandas "supernumerarias" alternantes de color rosa y verde en la parte interna del primario e incluso, a veces, en el secundario. El cielo entre ambos arco iris es más oscuro que fuera de ellos (la "banda de Alexander"), debido a la poca dispersión que sufre la luz solar entre los dos arcos.

Por otro lado, cuando quedan 5 ó 10 minutos para que se ponga el sol desaparecen todos los colores salvo el rojo, por dentro del arco iris el cielo toma un color rosa salmón y, por fuera, gris azulado. Incluso con el sol puesto el arco iris puede seguir viéndose durante unos 10 minutos más, aunque con su base oculta por la sombra terrestre.

Cuando la luz solar entra en una gota de lluvia se producen la refracción, separándose la luz blanca en su espectro de colores. Así, el arco iris primario sde debe a la luz que, una vez refractada, se refleja en la superficie interior de la gota y vuelve a salir. La luz que forma el arco iris secundario sufre dos reflexiones, en cambio, lo que le da mayor ángulo y además invierte el orden de los colores

Nubes coloreadas con tonos verdosos, púrpuras, azules... Estas tonalidades no tienen nada que ver con las que se observan en los crepúsculos y pueden aparecer no importa qué altitud tenga el sol. La coloración iridiscente se distribuye irregularmente por la nube en forma de bordes, manchas y bandas, todo con colores muy puros y luminosos que se mezclan delicadamente. Esta iridiscencia aparece en las nubes más cercanas al sol con más frecuencia de lo que se piensa y unas gafas de sol son útiles para observarla, sobre todo si el sol está tapado por un árbol, edificio, etc. No obstante, a veces los colores son tan fuertes que no es posible ignorar el fenómeno. Su origen parece ser el mismo que el de las coronas. Este fenómeno también puede observarse desde un avión, en la superficie de las nubes situadas más abajo.

Fenómeno frecuentemente observable consistente en un anillo luminoso que rodea al sol con un radio generalmente de 22º y, más raramente, de 46º. A veces, también puede verse rodeando a la luna. Se da cuando el cielo está cubierto por un velo de cirroestratos o nubes similares. El margen interno tiende a ser el más nítido y su color y rojizo, hacia afuera se disponen bandas de tono amarillo, verde, blanco y azulado, aunque muchas veces no es posible discernir estos colores. El cielo aparece más oscuro dentro del halo que fuera de él. El halo de 22º debe su origen a la refracción que sufre la luz solar en los pequeños cristales de hielo de que están formados los cirros. Miremos a donde miremos en la nube, hay innumerables y diminutos prismas hexagonales de hielo orientados en cualquier dirección que refractan la luz solar con un ángulo de 60º.

El halo de 46º es menos luminoso y se ve con mucha menos frecuencia. Su origen es el mismo que el del halo de 22º, tan sólo varía el ángulo de refracción de la luz en los cristales de hielo (90º, en contraposición a los 60º del halo menor).

Los halos van frecuentemente acompañados por otros fenómenos, como los parhelios.

Anillos fuertemente coloreados visibles rodeando al sol o a la luna cuando están semiocultos por un velo de nubes del tipo altocúmulos o estratocúmulos, pero sobre todo de cirrocúmulos y cirros. Cerca del astro hay un anillo azulado que pasa a otro amarillento y éste a su vez a otro rojizo. Esta disposición puede repetirse dos o hasta tres veces más, formando un atractivo conjunto de numerosos anillos. El diámetro aparente de una corona oscila entre 4 y 40 veces el del sol o la luna. Las coronas se forman por difracción de la luz en las gotas de agua o los cristales de hielo de las nubes y, cuanto más pequeñas son estas gotas o cristales, más amplias las coronas. Éstas son tanto más perfectas y de colores más puros cuanto más regular es el tamaño de las gotas o cristales.

Fenómeno observable desde una montaña o, mejor, desde un avión. Consiste en un halo de colores vivos que rodea el punto antisolar, en el que se encuentra nuestra sombra; no obstante, si ésta se halla muy lejos, puede no ser observable, entonces la gloria aparece como una especie de arco iris redondo. Es frecuente, cuando se viaja en avión, observar la sombra del aparato proyectada sobre nubes de tipo estratocúmulos cuando el sol está bajo. Cuando aparece la gloria, dicha sombra está rodeada por anillos coloreados, de hecho, si esta sombra esta cerca de nosotros, veremos como la gloria rodea la parte del avión donde está situado el observador. Ello quiere decir que cada pasajero la ve rodeando el punto exacto donde se halla cada observador concreto. Las glorias se forman cuando las gotas de agua de las nubes dispersan la luz solar en sentido contrario al de llegada. El tamaño de la gloria depende del de las gotas: cuanto más pequeñas son éstas, mayor es la gloria.

Frecuente fenómeno que consiste en dos concentraciones de luz sobre el halo solar de 22º situadas a la misma altitud que el sol. A veces sólo se ve un parhelio, y en otras ocasiones no se aprecia el halo. A menudo tienen un brillo fuerte, siendo claramente rojos en la parte más cercana al sol, luego de color amarillo y luego de un blanco azulado. Cuanto más alto está el sol, más parecen separarse los parhelios del halo. Los parhelios se forman cuando el aire contiene una densidad suficiente de plaquitas de hielo que flotan horizontalmente y en las que la luz solar se refracta. A veces también pueden verse en las estelas dejadas por los aviones.

Círculo luminoso paralelo al horizonte y a la misma altitud que los parhelios, los cuales incluye. Se puede seguir en ocasiones en sus 360º, aunque generalmente no puede verse en las proximidades del disco solar debido al resplandor de éste. El hecho de ser incoloro demuestra que se debe a la reflexión de la luz solar en las agujas de hielo de los cirros, aunque solo cuando las mismas están en posición vertical. En la imagen el sol queda a la izquierda, apreciándose el halo solar de 22º, un parhelio y, saliendo de éste y a la derecha, un sector del círculo parhélico.

Consiste en una columna luminosa sobre el sol al amanecer o al atardecer, aunque en ocasiones -como se observa en la imagen-, pueden aparecer por debajo del disco solar, pero son más cortas. Generalmente este "pilar solar" es incoloro, aunque cuando el sol está bajo adquiere los colores de éste (amarillo, naranja o rojo). Suele tener unos 5º de altura, raramente más de 15º. Cuando el sol está alto no es frecuente ver pilares, en este sentido, la primera imagen más abajo es harto infrecuente, pues fue fotografiada a aprox. las 16 h TU del mes de marzo en la Albufera de Valencia (España) (Lat. 39º 20´). Los pilares solares se forman cuando la luz solar se refleja en los cristales prismáticos o tabulares casi horizontales de hielo de las nubes altas. Si la inclinación de estos cristalillos es menor que la altitud del sol, el pilar aparece por debajo de éste. Si la inclinación es mayor se ve además un pilar por encima del sol. Para explicar completamente el fenómeno, hay que asumir que los cristalillos están girando respecto de un eje horizontal.

En cuanto el sol se pone, en el horizonte oriental empieza a verse una banda horizontal de color gris azulado que se va ensanchando hacia arriba conforme el sol desciende más por debajo del horizonte opuesto. Sobre dicha banda se aprecia el cielo enrojecido por el llamado contracrepúsculo. Esta banda gris azulada es la sombra que nuestro planeta arroja al espacio desde su lado oscuro, al que nos vamos acercando debido a la rotación terrestre. Por eso dicha banda se va levantando y termina fundiéndose con el cielo oscuro. El fenómeno ocurre a la inversa al amanecer.

Se trata de las sombras de las nubes tras las cuales se está poniendo el sol. Estas sombras contrastan contra el cielo todavía luminoso, dejando entre ellas lo que parecen rayos de luz. Los rayos crepusculares se ven en el horizonte occidental, convergiendo naturalmente hacia el sol. Los rayos anticrepusculares se ven en el horizonte opuesto y fugan hacia el punto antisolar. Lógicamente, se trata del mismo fenómeno en ambos casos: las sombras de las nubes son paralelas, pero su gran tamaño hace que las veamos en perspectiva. El origen de este fenómeno está en la dispersión que sufre la luz solar en las partículas de polvo que flotan en la atmósfera.

Aparece cuando tenemos el sol a nuestra espalda y nuestra sombra se proyecta sobre niebla o, como en este caso, sobre una fumarola. Las pequeñas gotas de agua flotando en el aire dispersan hacia atrás la luz que les llega (backscattering), rodeando el punto antisolar de la sombra con un halo blanco o, como vemos aquí, ligeramente iridiscente. Para que se forme este fenómeno la niebla debe ser muy densa y estar formada por gotitas muy pequeñas. Un origen similar tienen las "Glorias", visibles como pequeños arcoíris circulares que rodean la sombra del avión en el que viajamos cuando ésta se proyecta sobre las nubes.

Espectro del Brocken sobre una fumarola del campo de géiseres del Tatío (Chile).

Revista "Mundo Científico" - Nº 221.

ES LO MISMO, PERO NO ES IGUAL.

Son las 22:45 del 11 de septiembre y el aparato de American Airlines despega del aeropuerto de Sao Paulo con destino a Denver (Colorado). Según el comandante, seguiremos el rumbo Noroeste: cuenca del Amazonas, Colombia, Mar del Caribe y Golfo de México. Volaremos a baja altura y poca velocidad. A las dos horas, la luna me despierta. Allí está, perfectamente redonda, en el centro del rectangulo romo de la ventanilla y colgada como una lámpara sobre un océano de árboles, un rincón de la inmensidad amazónica bañado en plata. Pero el prodigio se descubre aplastando la nariz contra la ventana para buscar la vertical del lugar ¿Qué es esto? ¡Un circulo luminoso recorre la selva, solidariamente al avión, como si éste dispusiera de un potentísimo proyector de luz apuntado hacia el suelo! Miro arriba: la luna disimula con su rostro de facciones inmóviles. Miro abajo: el extraño disco de luz revela detalles de la espesura, meandros, lagos, árboles y más árboles. De repente, allá arriba, la luna se esconde tras una nubecilla y el disco de luz, allá abajo, se apaga con exacta simultaneidad. ¡Ajá! Angulo de incidencia igual a ángulo de reflexión: la luna se refleja en el pulido fuselaje del avión y se pasea por la selva. Por solidaridad con la inspección lunar, sigo al disco hasta que el alba lo disuelve.

Horas después la situación a bordo se ha invertido: ahora soy yo el único durmiente. Cuando despierto ya hemos empezado a descender sobre un desierto cegado por el sol. Ahora, el Sol no brilla en el paisaje enmarcado por mi ventanilla. Está al otro lado, claro, acaba de levantarse por el Este. Busco el disco luminoso de la víspera, y... ¡lo encuentro! Ahí está otra vez el círculo, mucho más luminoso aun que su abrasado entorno inmediato, solidario a la trayectoria del avión, lamiendo el desierto en linea recta, a pleno sol. Por su interior desfilan de vez en cuando casas, poblaciones, carreteras, lo que arranca minúsculos destellos de colores, de los cristales, de las carrocerías de vehículos o de las señales refractantes de tráfico... ¿Cómo explicar ahora el fenómeno? Quedo, otra vez, cautivo y cautivado por la mancha de luz. El avión sigue perdiendo altura. De repente aparece un punto oscuro en el centro del disco que crece a medida que el avión desciende. Ahora parece un avioncito desenfocado. A la figura le salen ruedas. Es la sombra del avión. ¡Cuidado! La sombra crece y ahora, muy nitida, se nos acerca peligrosamente ... ¡Va a tocarnos! Un golpe seco indica que nos ha tocado. Acabamos de aterrizar. No puede ser otra cosa: el disco de luz es la figura central de difracción, justamente la de máxima intensidad, creada por los rayos del sol, después de difractarse sobre el contorno del cuerpo opaco del avión y proyectarse luego, en linea recta, contra el suelo.

Encontrar la esencia oculta común entre dos cosas aparentemente diferentes, equivale a comprender. Es la inteligibilidad: lo que ayuda a comprender incluso cuando dos fenómenos aparentemente iguales resulta que, en esencia, no lo son; como la reflexión lunar en la selva y la difracción solar en el desierto.

Jorge Wagensberg
Profesor de Física y director del Museo de la Ciencia de la Fundación "La Caixa".


Arco iris - El Rompido (Huelva), Diciembre de 1995	Arco iris rojo - El Ronquillo (Sevilla), Septiembre de 1997	Arco iris supernumerario - El Paso (La Palma, Islas Canarias), Enero de 1997