Cuando las nubes se disfrazan de arcoíris

 

Con la cantidad de fenómenos atmosféricos que hay, en particular en los que la luz hace de las suyas, cada vez me extraña menos que cualquiera con pocas luces (nunca mejor dicho) sobre la naturaleza de la luz crea ver Ovnis o cosas más extraordinarias si cabe al levantar la cabeza al cielo. Si no, ¿cómo explicar esta imagen?

 

Nube iridiscente en Etiopía [Fuente]

 

Para entender por qué sucede lo de arriba, primero hay que saber algo sobre la naturaleza de la luz. La luz se comporta, en muchos aspectos, como una onda. Es decir, que sufre procesos propios de la ondas: reflexión, refracción, difracción, efecto Doppler… A todas las ondas les puede pasar estas cosas, a la luz, al sonido, o a las olas del mar1.

La luz blanca está compuesta por muchos colores, como los que se ven en el arcoíris o en la imagen de arriba. Para entender qué significa que esté ‘compuesta’ de colores, se puede usar como analogía las olas del mar, por ejemplo. Las olas del mar (en el interior, no en la costa) no suelen ser una sinusoide perfecta, sino que sobre una gran ola parecen oscilar pequeñas olitas, que cumplen un ciclo de oscilación (o periodo) en menos tiempo que la grande (menor periodo o mayor frecuencia). Al mismo tiempo, el balanceo de la gran ola puede que a su vez forme parte de una ola mayor, que complete su ciclo en aún más tiempo.

Por lo tanto, una onda puede esta compuesta a su vez de muchas ondas de distintas frecuencias, que juntas forman la onda completa. Estas ondas simples pueden ser de un número discreto de frecuencias, como las tres del ejemplo de las olas, o pueden abarcar todo un espectro continuo de frecuencias, como sucede con la luz. La frecuencia en la luz está relacionada directamente con la tonalidad, es decir, el color que vemos. Un frecuencia alta significa azul y una baja rojo. El rango continuo del espectro visible está limitado por la luz infrarroja en un extremo y la ultravioleta en el otro.

 

Detalle de la nube en Etiopía [Fuente]

 

Ahora sabemos que la luz del Sol es una onda compuesta, con un rango continuo de frecuencias, que incluyen los colores del arcoíris. Ya solo queda explicar cuál de los fenómenos propios de ondas explica la nube de la fotografía. En primer lugar pensé que el responsable era la refracción, culpable de que existan los arcoíris. Pero no, por lo visto es un fenómeno distinto, y no tan habitual como el primero. Se trata de la difracción.

Antes de explicar la difracción, volvamos a las ondas del mar para explicar que es la interferencia. Imaginemos dos ondas que sean sinusoides, con sus crestas y valles, pero con longitudes de onda distintas (la longitud de onda es la distancia entre dos crestas o dos valles consecutivos). Si estás dos ondas viajan en sentidos opuestos, una hacia la otra, pueden haber dos tipos de interferencia: constructiva o destructiva, que dejaran una ‘huella’ distinta en la onda compuesta que resulte.

 

Las interferencias constructiva y destructiva de dos ondas [Fuente]

 

La interferencia constructiva se produce al coincidir los valles o crestas de las ondas, de forma que la onda compuesta resultante tiene en algunos puntos una amplitud mayor (es la suma de las otras dos amplitudes). Es decir, se producen altas crestas o profundos valles, según se mire.

Al no tener la misma longitud de onda, las dos ondas en el mar no coincidirán con sus crestas en todos los puntos, en la mayoría no lo harán. Pero hay un punto en particular en el que lo que coinciden son crestas con valles. De modo que la ‘suma’ produce un lugar que no oscila, un punto sin amplitud (sin cresta ni valle). Ese es el resultado de una interferencia destructiva.

Que la amplitud sea cero es equivalente en el ejemplo de las olas a que el agua en ese punto no se desplace de arriba a abajo. En el sonido, significaría que no hay volumen en esos lugares. Y en la luz, en esos puntos de interferencia destructiva hay franjas oscuras. Las interferencias constructivas son los puntos de mayor amplitud de las olas en el mar, de mayor volumen en el sonido, o de mayor brillo en la luz. Por lo tanto cuando dos ondas interfieren pueden haber zonas con gran amplitud y zonas con amplitud cero, que en la luz se observa como franjas claras y oscuras.

Ahora sí podemos entrar en la difracción. Si una ola avanza por el mar y se topa con una roca, tras la roca no aparece un espacio sin olas, como una sombra plana proyectada sobre el mar (lo que se esperaría si la bombardeáramos con partículas), sino que la ola parece ocupar ese espacio de detrás de la roca. Con la luz sucede igual. Esta capacidad de las ondas de ‘rodear’ los objetos se debe a la difracción. Las ondas que se encuentran tras el objeto, pueden sufrir las interferencias explicadas antes, dando lugar a franjas claras y oscuras (en el caso de la luz) en la onda resultante.

 

image

Difracción de la luz al encontrarse con un objeto [Fuente]

 

Un par de detalles más: Uno es que la difracción de la luz es función de la longitud de onda. Como la longitud de onda está relacionada directamente con la frecuencia (mediante la velocidad de propagación, que consideramos que no cambia al no cambiar el medio), se puede decir que depende de la frecuencia, y por tanto del color. La luz roja (frecuencia pequeña o longitud de onda grande) se difracta más fácilmente que la luz azul (longitud de onda pequeña o frecuencia alta).

El otro detalle es que el patrón de difracción (la secuencia de franjas claras y oscuras) de la luz entre muchas partículas del mismo tamaño es el mismo que el de una sola partícula, pero mucho más brillante.

Ahora hagamos una recopilación: la luz puede ‘rodear’ objetos (difracción) y lo hará más o menos según la longitud de onda (color). Esa difracción provoca interferencias que de por sí son débiles en la luz, pero que si suceden alrededor de muchas partículas del mismo tamaño (con el mismo patrón) puede dar como resultado un patrón brillante allí donde la interferencia es constructiva. 

Cuando la luz del Sol llega a una nube, puede producirse la difracción alrededor de las gotas de agua. Algunos colores se difractarán más que otros, y la interferencia entre ellos provoca bandas donde se acentúan unos colores y otros no. Además esta interferencia depende de la diferencia de distancias de la nube al sol, por lo que es típica la geométrica circular de los colores (coronas).

 

 Nube iridiscente sobre Colorado [Fuente]

 

Es tentador recurrir a la refracción, mucho más frecuente, para explicar esas nubes. En la refracción, la luz pasa a través del agua y se desvía (al cambiar de medio) en distintas direcciones según el color. Es lo que provoca el arcoíris.

La difracción en cambio es mucho más rara, y es la que provoca estas nubes en contadas ocasiones. Solo sucede en algunos tipos de nubes (con gotas o cristales de hielo de tamaños muy parecidos) y normalmente en los bordes, donde la nube es muy delgada. El resultado son las impresionantes nubes con los bordes de colores intensos, pero no de todos los del arcoíris, sino solo algunos, (predominantemente los anaranjados o rojos, que se difractan con más facilidad).

 

Nubes iridiscentes en Canadá (click para ampliar)[Fuente]

 

Además, la luz de Sol no es la única que puede tener ese efecto en la nubes. También puede suceder con la luna, como en la siguientes fotos.

 

 image

Coronas lunares [Fuente1][Fuente2]

 

Puedes encontrar más fotografías interesantes de nubes iridiscentes en este enlace.

 


1 La  diferencia con la luz es que es una onda electromagnética, o sea una onda que no necesita un medio para propagarse, en contraposición a las ondas mecánicas como el sonido o las olas del mar. Y además puede sufrir otros fenómenos, más propios de partículas, que no se entienden con la teoría electromagnética y necesitan de la teoría cuántica de la luz para explicarse.

 

 

Referencias:

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Publicado el 16 septiembre, 2011 en Ciencia y etiquetado en , , , . Guarda el enlace permanente. 4 comentarios.

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