Una pregunta frecuente de los niños es: "¿Por qué el cielo es azul?". Algunos responden: "porque refleja el color del océano", mientras que otros suponen que se debe a que el oxígeno es un gas de color azul.
Si haces una búsqueda rápida en Internet, encontrarás que el cielo es azul debido a tres simples factores, (1) la luz del sol se compone de luz de muchas longitudes de onda diferentes, (2) la atmósfera de la Tierra se compone de moléculas que dispersan la luz de diferentes longitudes de onda en cantidades diferentes, y (3) la forma en que nuestros ojos perciben la luz.
Como demostró Sir Isaac Newton con un prisma triangular, cuando la luz pasa a través de un prisma, la luz blanca se divide en los colores que la componen: rojo, naranja, amarillo, verde, azul, índigo y violeta. Cada color tiene una longitud de onda diferente como una huella digital propia, por lo que cuando pasa a través del prisma, viaja a diferentes velocidades y se refracta en diferentes ángulos.
Cuando la luz solar llega a la atmósfera terrestre, se dispersa en todas las direcciones por todos los gases y partículas del aire. La luz blanca del Sol atraviesa la atmósfera; los colores con longitudes de onda más largas (como el rojo, el naranja y el amarillo) la atraviesan; mientras que las longitudes de onda azul y violeta son absorbidas por las moléculas de gas y se dispersan por el cielo. Tus ojos ven estas longitudes de onda reflejadas como color azul, porque el azul y el violeta son las longitudes de onda adecuadas para rebotar en las partículas de gas de la atmósfera, por lo que se separan de los demás colores, haciendo que el cielo nos parezca azul.
Dado que la dispersión por la atmósfera hace que el cielo sea azul, un planeta sin atmósfera no puede tener un cielo brillante. La atmósfera de la Luna es muy fina; cuando el aire es muy fino, las moléculas de gas no chocan entre sí. Como resultado, la luz del sol no se dispersa y, tanto si es de día como de noche en la Luna, el cielo aparece negro. Así lo demuestran las fotografías tomadas por los astronautas del Apolo en la Luna, que muestran un cielo completamente oscuro en todas las direcciones durante el día.
Del mismo modo, Marte tiene una atmósfera muy fina, compuesta principalmente por dióxido de carbono y llena de finas partículas de polvo; estas finas partículas dispersan la luz de forma diferente a los gases y partículas de la atmósfera terrestre. Las fotos de los vehículos de exploración y aterrizaje de la NASA en Marte han mostrado lo contrario de lo que se experimentaría en la Tierra. Durante el día, el cielo marciano adquiere un color anaranjado o rojizo; pero, a medida que el Sol se pone, el cielo alrededor del Sol comienza a adquirir un tono azul-grisáceo.
El color azul del cielo es el resultado de un tipo específico de dispersión conocido como dispersión Rayleigh; este tipo de dispersión depende de la longitud de onda de la luz y dispersa la luz de las partículas que no son más grandes que una décima parte de la longitud de onda de la luz. En la baja atmósfera, las diminutas moléculas de oxígeno y nitrógeno dispersan la luz de longitud de onda corta (como la azul y la violeta) en mayor medida que la luz de longitud de onda larga (como la roja y la amarilla).
Si tanto el azul como el violeta tienen longitudes de onda cortas, ¿por qué vemos el cielo azul y no el violeta, aunque las partículas atmosféricas dispersen el violeta más que el azul? La respuesta es simplemente porque parte de la luz violeta es absorbida en la parte superior de la atmósfera y nuestros ojos son más sensibles a la luz azul que a la violeta.
Cuando el Sol está alto en el cielo, el cielo aparece de un azul más brillante porque hay más atmósfera para ver en esas direcciones, y, por lo tanto, más luz azul. Durante la salida/puesta del Sol o la salida/puesta de la Luna, la luz del Sol, o de la Luna, tiene que atravesar enormes cantidades de atmósfera; cuanto más cerca del horizonte esté, más atmósfera debe atravesar la luz. Mientras que la luz azul se dispersa en todas las direcciones, la luz roja se dispersa con mucha menos eficacia. Esto significa que tanto la luz del disco del Sol, o de la Luna, adquiere un color rojizo, pero también la luz de la vecindad del Sol y la Luna (la luz que choca con la atmósfera y se dispersa solo una vez antes de llegar a nuestros ojos) se enrojece en ese momento.
Además de la dispersión de la luz en la atmósfera, nuestros ojos tienen una técnica específica para percibir los colores. Los ojos tienen tres tipos de conos para detectar los colores, además de los bastones monocromáticos; a la hora de detectar un color, nuestro cerebro recibe señales de los cuatro para interpretarlo. Cada tipo de cono, más los bastones, son sensibles a la luz de una longitud de onda diferente. Nuestros ojos responden con más fuerza a las longitudes de onda azul, cian y verde que al violeta; aunque haya más luz violeta, no es suficiente para superar la fuerte señal azul que emite nuestro cerebro.
La próxima vez que le pregunten por qué el cielo es azul, probablemente sabrá qué responder sin dudarlo. El cielo no es más que nuestra atmósfera tal y como la vemos desde abajo, además de la sensibilidad de nuestros ojos a los colores. Si no hubiera dispersión ni absorción, el cielo parecería negro durante el día y si hubiera más absorción o dispersión, el cielo podría parecer amarillo, naranja o rojo durante todo el día.