¿Por qué el cielo es azul durante el día y naranja por la tarde?

La atmósfera que rodea nuestro planeta está principalmente constituida por aire, compuesto por moléculas de diferentes gases. Los más comunes son el nitrógeno (aproximadamente un 78 %) y el oxígeno (algo menos del 21 %). En el aire también encontraremos argón (casi un 1 %) y porcentajes insignificantes de otros constituyentes como dióxido de carbono, neón, helio, metano o criptón. Si el aire no es seco, aparecerá además vapor de agua.

Pues bien, los diferentes colores que observamos en el cielo se deben a la interacción de la radiación solar con los gases que integran la atmósfera. De hecho, si echamos un vistazo a las fotografías adquiridas por las diversas misiones a la Luna, veremos que su «cielo» es negro. Esto es precisamente debido a que nuestro satélite no posee atmósfera.

Interacción de la luz

La radiación procedente del astro rey, en su camino a través de la atmósfera, interactúa con las moléculas que componen el aire y otras partículas gaseosas que puedan estar presentes, tales como gotas de agua, polvo y aerosoles. Aparecen aquí dos fenómenos físicos fundamentales: la absorción y la dispersión de la luz.

Si la luz es total o parcialmente absorbida, se produce una transferencia de energía de la radiación a las moléculas con las que interactúa. En consecuencia la luz solar se atenúa al propagarse en la atmósfera. Un conocido ejemplo viene dado por el papel protector del ozono, presente fundamentalmente en la estratosfera, ya que esta sustancia tiene una enorme efectividad absorbiendo la dañina radiación ultravioleta.

En el caso del fenómeno de la dispersión, la radiación incidente se desvía en todas direcciones al interaccionar con las moléculas y partículas presentes en la atmósfera. Veremos que este fenómeno físico es el responsable principal de los colores que vemos en el cielo.

¿Por qué el cielo es azul?

La luz del Sol, en su viaje a través de la atmósfera, es dispersada en todas direcciones por las moléculas del aire y por partículas tales como aerosoles y polvo. El tipo de dispersión que se produce, denominada dispersión de Rayleigh en honor al primer científico que la explicó allá por 1871, es producida por partículas con un tamaño muy inferior al de la longitud de onda de la radiación.

Puesto que este fenómeno es más intenso cuanto menor sea la longitud de onda de la radiación incidente, los colores violeta y azul son más fuertemente dispersados por las moléculas de aire que el rojo o el naranja. Por tanto, si a nuestros ojos el cielo es de color azul es porque, de la radiación emitida por el Sol, estamos principalmente viendo la componente azul dispersa en la atmósfera. Aunque si nuestros ojos tuviesen una mayor sensibilidad a menores longitudes de onda, el cielo se vería de color violeta.

La experiencia nos dice que el color azul del cielo no es el mismo todos los días ni a todas horas. Esto es debido a la presencia de aerosoles en la atmósfera. Se trata de pequeñas partículas sólidas o líquidas (cenizas volcánicas, polvo desértico, humo, cristalitos de hielo, etc.) que se encuentran suspendidas en el aire.

Debido a que el tamaño típico de estas partículas comparable a la longitud de onda de la radiación, el tipo de fenómeno físico que ahora se produce se denomina dispersión de Mie, nombrada en honor al físico alemán Gustav Mie. Este tipo de proceso también favorece el color azul, pero de una forma mucho menos pronunciada que en el caso de la dispersión de Rayleigh, lo que proporciona al cielo un color azul menos intenso que puede llegar a ser incluso grisáceo si la presencia de aerosoles es muy alta. Como es lógico, este fenómeno se da más intensamente en las capas inferiores de la atmósfera, que son las más cargadas de aerosoles. Es por eso por lo que el azul del cielo es más intenso cuando estamos en la cima de una montaña.

El color al amanecer y a la puesta de sol

Sabemos también que los amaneceres y atardeceres adoptan tonalidades rojizas. Cuando el Sol está sobre nuestras cabezas, la luz solar debe recorrer una distancia relativamente corta a través de las partes densas de la atmósfera hasta llegar a la superficie de la Tierra. Sin embargo, al amanecer y al atardecer, los rayos del Sol viajan una distancia mucho mayor a través de las zonas más compactas de la atmósfera. La consecuencia es que se amplifica notablemente el efecto de la dispersión. De este modo, cuando miramos hacia el lugar en el que el Sol se encuentra en el horizonte, la luz que llega a nuestros ojos ha perdido prácticamente las componentes violeta y azul. Así que predominan los tonos amarillos, naranjas y rojos. Es decir, las longitudes de onda de luz más largas. Éste es el motivo por el cual el sol de poniente a menudo se ve de color anaranjado o rojizo.