🌈 Óptica Atmosférica

Los cristales de hielo hexagonales en las nubes cirro actúan como prismas de 60 grados. Cuando la luz entra por una cara y sale por una cara no adyacente en el ángulo de desviación mínima, la deflexión es de aproximadamente 22 grados independientemente de la longitud de onda (en primer orden). Como los cristales están orientados aleatoriamente, la luz dispersada forma un anillo completo alrededor del sol. La condición de desviación mínima concentra muchas trayectorias de rayos cerca de los 22 grados, creando un anillo brillante con un borde interior rojo (trayectoria más corta a través del prisma) y un borde exterior de blanco a azul. Un halo más tenue de 46 grados se forma mediante una trayectoria de prisma de 90 grados a través de las caras superior y laterales.

Los arco iris son visibles siempre que el sol esté detrás de ti y haya lluvia, niebla o rocío delante. El rocío de una manguera de jardín, las cascadas y la niebla bajo el sol de la mañana producen todos arcos de arco iris. Como el punto antisolar debe estar en el centro del arco, el sol debe estar por debajo de 42 grados de elevación para que el arco primario aparezca sobre el horizonte; cerca del amanecer y el atardecer, cuando el sol está muy bajo, se puede ver casi un semicírculo completo. Desde un avión o un punto elevado, es posible ver un arco iris circular completo.

Este es un error común. La luz violeta (alrededor de 380-420 nm) sí se dispersa más que la azul (alrededor de 450 nm) según la ley 1/lambda^4. Sin embargo, varios factores desplazan el color percibido hacia el azul: el sol emite menos violeta que azul en el espectro visible, nuestros ojos tienen una sensibilidad mucho menor al violeta (los conos S de longitud de onda corta no son muy numerosos), y gran parte del violeta se absorbe en la atmósfera superior por el ozono. El efecto combinado hace que el cielo dispersado se vea azul en lugar de violeta para los observadores humanos.

Lord Rayleigh (John William Strutt) publicó su explicación del color del cielo en 1871, mostrando que la intensidad de la luz dispersada por partículas pequeñas (mucho más pequeñas que la longitud de onda de la luz) escala con la cuarta potencia de la frecuencia (equivalentemente, la potencia inversa cuarta de la longitud de onda). Se basó en trabajos anteriores de Tyndall, quien en la década de 1860 demostró que las partículas muy finas dispersan preferentemente la luz azul. El tratamiento cuántico detallado llegó después, pero la fórmula clásica de Rayleigh sigue siendo precisa para la dispersión atmosférica por moléculas de aire.

Los fenómenos relacionados incluyen el rayo verde (refracción y dispersión en el horizonte al atardecer), la gloria (retrodispersión de gotas de nubes, visible desde aviones alrededor de la sombra de la aeronave), el cinturón de Venus (banda rosada opuesta al sol poniente causada por luz enrojecida retrodispersada), los arcos circunzenitales y circunhorizontales (otros efectos ópticos de cristales de hielo), y la dispersión de Mie (la apariencia blanca de las nubes y la niebla, donde las gotas son mucho mayores que la longitud de onda y dispersan casi todos los colores por igual). El simulador de Dispersión de Rayleigh de este sitio te permite explorar el mecanismo del cielo azul con más profundidad.

Los satélites de teledetección usan modelos de dispersión atmosférica para corregir las imágenes en bruto de la neblina introducida por la atmósfera, un proceso llamado corrección atmosférica. Los instrumentos LIDAR (detección y medición de distancia por luz) explotan la retrodispersión de Rayleigh y Mie para medir la concentración de aerosoles, la velocidad del viento y la altura de las nubes desde tierra o desde órbita. El enrojecimiento del atardecer calibra la profundidad óptica de polvo y aerosoles en mediciones de campo. Los recubrimientos antirreflectantes en las lentes se diseñan entendiendo cómo se refracta la luz en los límites, la misma física del trazado de rayos en gotas. La óptica meteorológica también guía el diseño de concentradores solares y acristalamientos de invernadero.

Los investigadores están usando la óptica atmosférica para mejorar los modelos climáticos al cuantificar mejor el forzamiento radiativo de los aerosoles — el grado en que las partículas dispersan o absorben la luz solar y así enfrían o calientan el planeta. La teledetección polarimétrica (medir el estado de polarización de la luz dispersada) puede distinguir el polvo mineral de la sal marina y del humo, mejorando el monitoreo de la calidad del aire. Los sistemas de óptica adaptativa para grandes telescopios corrigen en tiempo real la turbulencia atmosférica midiendo la distorsión del frente de onda y aplicando correcciones con espejos deformables. También hay investigación activa sobre cómo el cambio en la microfísica de las nubes (debido a cambios impulsados por el calentamiento en los hábitos de los cristales de hielo) alterará la frecuencia de los halos y el albedo global.