Fenómenos ópticos

Fotografía de Thomas Lipke. Aurora boreal en el cielo de Noruega.

En este apartado hablaremos sobre el interesante mundo de los fenómenos ópticos, donde la ciencia y la luz se encuentran para crear los efectos visuales que vemos a diario. Desde la reflexión y la refracción hasta la dispersión y la difracción, descubre cómo funcionan estos fenómenos, qué los causa, y cómo se nos presentan. Te invitamos a comprender las maravillas de la óptica y cómo cada destello y color que vemos nos cuenta una historia científica.

Reflexión

La reflexión es un fenómeno óptico en el cual una onda (como la luz) incide en una superficie y, en lugar de ser atravesada o absorbida, se refleja o "rebota" en la misma dirección, pero en sentido opuesto. Este fenómeno ocurre cuando la luz encuentra una superficie pulida o lisa, como un espejo o el agua en calma, lo que permite que el ángulo de incidencia (el ángulo con el que la luz llega) sea igual al ángulo de reflexión (el ángulo con el que la luz se refleja).

Tipos de reflexión

Reflexión especular: Ocurre en superficies lisas y pulidas, donde la luz se refleja en una sola dirección, permitiendo formar una imagen clara (como en un espejo).

Reflexión difusa: Ocurre en superficies rugosas o irregulares, donde la luz se dispersa en múltiples direcciones, lo que impide la formación de una imagen definida.

Reflexión dispersa: Este tipo de reflexión se da cuando las dos reflexiones anteriores se combinan.

Refracción

Este fenómeno ocurre cuando una onda de luz cambia de dirección al pasar de un medio a otro con diferente densidad, como cuando la luz pasa del aire al agua. Este cambio de dirección se produce porque la velocidad de la luz es distinta en cada medio, lo que provoca que el rayo de luz se doble en el punto de transición.

Principios de la refracción

Ley de Snell: esta ley describe cómo se comporta la luz cuando pasa de un medio a otro con diferente índice de refracción. Esta ley establece la relación entre el ángulo de incidencia (el ángulo con el que la luz llega a la superficie de separación entre los dos medios) y el ángulo de refracción (el ángulo con el que la luz se desvía al entrar en el segundo medio).

Índice de Refracción: Cada material tiene un índice de refracción que indica cuánto ralentiza la luz. Por ejemplo, el agua tiene un índice de refracción mayor que el aire, por lo cual la luz se "dobla" al entrar en el agua.

Ejemplos de la refracción:

La apariencia "doblada" de un objeto parcialmente sumergido en agua.

Los lentes de las gafas, que corrigen la visión al desviar los rayos de luz.

Los arcoíris, donde la luz se refracta en gotas de agua, separándose en diferentes colores.

¿Dónde vemos este fenómeno en la atmósfera?

Efecto del sol "achatado"

El efecto del "Sol achatado" en la atmósfera es un fenómeno óptico que ocurre cuando el Sol, cerca del horizonte, aparece visualmente comprimido o "aplastado" en sentido vertical. Este efecto se produce debido a la refracción atmosférica, donde actúa como un prisma que desvía la luz. Cuando el Sol está cerca del horizonte, su luz debe atravesar una mayor cantidad de atmósfera en comparación con cuando está en el cenit (justo sobre nosotros). Las capas más bajas de la atmósfera tienen mayor densidad, lo que causa que la luz de la parte inferior del Sol se curve más hacia arriba que la luz de la parte superior. Esto da la ilusión de que el Sol se aplana en su parte inferior.

Efecto de espejismos o mirages

El efecto de espejismos o mirages en la atmósfera es un fenómeno óptico que ocurre cuando las variaciones en la temperatura del aire provocan la desviación de la luz, haciendo que los objetos o paisajes aparezcan distorsionados, desplazados o incluso reflejados en superficies donde no están. Esto sucede debido a la refracción de la luz en capas de aire con diferentes temperaturas y, por lo tanto, diferentes densidades.

En el desierto o en carreteras asfaltadas bajo el sol, el aire cercano al suelo puede alcanzar temperaturas elevadas, lo cual crea espejismos inferiores que parecen charcos de agua a lo lejos, pero desaparecen a medida que uno se acerca.

Efecto de destello verde

Justo en el momento en que el Sol está a punto de desaparecer o aparecer en el horizonte, la atmósfera curva la luz de diferentes colores en distintos ángulos. Como resultado, el color verde (en casos raros, el azul) se ve separado de los demás y aparece como un "destello" en la parte superior del disco solar.

Dispersión

La dispersión es un fenómeno óptico en el cual la luz se separa en sus distintos colores o longitudes de onda al atravesar un medio, como un prisma o la atmósfera. Esto ocurre porque cada color de luz tiene una longitud de onda diferente y, por lo tanto, se refracta (se dobla) en ángulos ligeramente distintos al pasar de un medio a otro con un índice de refracción diferente. Así, cada color se desvía en un ángulo distinto, lo que provoca su separación y crea un espectro de colores visible.

Ejemplos de dispersión

Arcoíris: Cuando la luz solar atraviesa gotas de agua en la atmósfera, se dispersa en sus distintos colores y forma un arcoíris, con colores que van del rojo (menos desviado) al violeta (más desviado).

Prismas: Al pasar por un prisma, la luz blanca se descompone en un espectro visible, mostrando todos los colores que la componen.

Color del cielo: La atmósfera dispersa la luz azul más que la roja debido a la menor longitud de onda de la luz azul, lo cual da al cielo su característico color azul durante el día y colores rojizos al amanecer y atardecer.

Fotografía de Chris Barbalis.

Difracción

Este fenómeno óptico ocurre cuando una onda de luz encuentra un obstáculo o una abertura y se "dobla" alrededor de él, expandiéndose y formando patrones de interferencia. Este fenómeno es característico de las ondas (como la luz, el sonido o las ondas de agua) y se vuelve más evidente cuando el tamaño del obstáculo o la abertura es comparable a la longitud de onda de la luz.

Ejemplos de difracción

Halo alrededor de la luna o el sol: Partículas de hielo en la atmósfera pueden causar difracción en la luz, produciendo halos y patrones de arcoíris suaves.

Interferencia en rendijas dobles: Este experimento clásico muestra cómo dos rendijas cercanas generan un patrón de interferencia al difractar la luz, formando franjas claras y oscuras en una pantalla.

En un halo solar, es posible ver un ligero espectro de colores debido a la dispersión de la luz, con tonos rojizos en el interior y azulados en el exterior. Sin embargo, el halo lunar suele ser más blanco o gris, ya que la luz de la Luna es mucho menos intensa que la del Sol.

Fotografía por Yann Allegre. Halo solar sobre teleférico en Savoie, Francia.

Los fenómenos ópticos en la atmósfera revelan la interacción única entre la luz y el entorno natural que nos rodea. Desde la formación de arcoíris y halos hasta el misterioso destello verde y los ilusorios espejismos, cada fenómeno es una ventana a las leyes físicas que rigen el comportamiento de la luz. Al comprender estos efectos, no solo apreciamos la belleza visual de nuestro mundo, sino que también profundizamos en el conocimiento de la ciencia que transforma nuestra percepción. Explorar estos fenómenos ópticos es descubrir cómo la luz da forma a nuestra visión de la naturaleza y del universo.

Referencias

• Liou, K. N. (2002). An Introduction to Atmospheric Radiation (2nd ed.). Academic Press.