¿Por qué el cielo es azul durante el día? ¿Por qué es rojo al amanecer/anochecer?

Para entender este hecho, debemospartir de que la luz del sol contiene todos los colores del espectrovisible. Así, como primera explicación simplificada de por quémotivo el cielo presenta un color azul característico, diríamosque:

-La luz azul al penetrar en laatmósfera se dispersa en todas las direcciones, llegándonos así alos ojos desde todos los ángulos que forman la bóveda del cielo.

-Los demás colores al entrar en laatmósfera siguen prácticamente rectos y solo son parcialmentevisibles si miramos hacia el sol, ya que se han desviado poco delcamino entre su fuente y nosotros.

-En las horas límite(anochecer/amanecer) el azul se encuentra demasiado disperso y ahorael color predominante es el rojo.

Si queréis ver más en detalle estefenómeno, veremos un poco más físicamente qué esta pasando:

Primero introduciremos qué es ladispersión de Raylegh: Es la dispersión de una ondaelectromagnética (como la luz) por la presencia de partículas de untamaño inferior a su longitud de onda en su recorrido.

¿Donde se da este fenómeno? En lascapas más altas de la atmósfera, cuando el aire está másenrarecido y la luz se encuentra en un medio inhomogenio poblado departículas cuyo tamaño es, claramente, inferior a su longitud deonda. Cabe destacar que éste fenómeno solo se da en las capasmás altas de la atmósfera pues al disminuir la distancia con lasuperficie terrestre el aire se vuelve más denso y uniforme, siendoasí un medio mucho menos dispersivo.

Podemos pensarlo como un rayo de luzque al entrar en contacto con el aire se desdobla en un haz que cadavez se dispersa más y el mismo rayo, con menos longitudes de onda,que sigue recto.

Si ahora queremos ver por qué la luzque se dispersa es la azul y no cualquier otra, hemos de echar manode la sección transversal de la dispersión de Rayleigh, que tienela siguiente forma:

Este coeficiente nos dice cuan dispersado es un rayo de luz enfunción del diámetro de las partículas (d), el índice derefracción de cada partícula (n) y la longitud de onda de la luz(λ).



Si dentro de la fórmula nos fijamos en la dependencia entre ladispersión y la longitud de onda veremos que son inversamenteproporcionales y además que λviene elevada a la cuarta, haciendo esta dependencia inversa muchomás fuerte. ¿Que significa todo esto? Pues que a menor longitud deonda, los efectos de la dispersión serán mucho mayores.



Aplicando todo esto a la luz solar, es fácil ver que del espectrovisible el color azul (con una menor longitud de onda) será el quesufrirá una mayor dispersión, creando una especie de baño defotones azules en la atmósfera que es lo que nosotros vemos.



Finalmente, podemos dar una explicación también al color rojo delos amaneceres y las puestas de sol: Al encontrarse en esas dossituaciones el sol sobre nuestro horizonte, el recorrido de la luz através de la atmósfera es mucho mayor que durante el día. Por estemotivo, la luz azul se dispersa tanto que ya casi no la podemos ver,siendo entonces la luz roja/anaranjada la única que podrá llegar anuestros ojos.



Recordar, ya para acabar, que el color rojo es el que tiene unalongitud de onda más grande del espectro visible y es por estemotivo que le cuesta más dispersarse.

Superenfriamiento y supercalentamiento del agua

Todo empieza así: Dejamos una muestra de agua pura (o lo más pura que podamos) en el congelador. Ésta empieza a enfriarse más y más para  equilibrar su temperatura con la del electrodoméstico, que puede rondar desde unos 269 K a unos 247 K. Tras un par de horas, recuperamos la botella y vemos que no está congelada aún estar presumiblemente por debajo de los 273 K (0ºC). Entonces, pero, por cualquier motivo perturbamos súbitamente la muestra y observamos, fascinados, que sucede lo siguiente:

¿Que ha pasado? Bien, la respuesta es simple, hemos superenfriado (subfusionado) el agua. La explicación sigue así:

En el gráfico estamos viendo una representación de cómo se comportan la temperatura (eje vertical) i la presión (eje horizontal) cuando hablamos del agua. En nuestra vida cuotidiana solemos observar solo tres de las fases que se muestran: Los dos enfriamientos y la solidificación. El superenfriamiento es, entonces, algo raro. Y no es de extrañar, pues se trata de un estado metaestable (el cómo se determina que es inestable ya se aparta del objetivo de éste post).

Como estado metaestable, para poder ser observado requiere de ciertas condiciones, en nuestro caso la estabilidad mecánica y la no presencia de impurezas que puedan desencadenar la solidificación a su ardedor. Podemos observar fácilmente que si utilizamos agua con una buena pureza (y mejor aún si es destilada) y la ponemos en un congelador convencional, ambas condiciones se cumplen.

Para entender qué ocurre debemos tener en cuenta antes un aspecto importante: la nucleación.

Por nucleación se entiende el hecho de que se empiece a dar el cambio de estado (en nuestro caso la solidificación) en una región muy pequeña del líquido. Así, se forman unos pequeños núcleos de hielo alrededor de los que se irá solidificando.

Tenemos dos tipos de nucleación: La homogénea y la heterogénea. La primera se refiere simplemente a regiones pequeñas de una sustancia homogénea que espontáneamente empiezan a cambiar de fase. La segunda se refiere al hecho de que pequeñas impurezas actúen como núcleos de cambio de fase. Para el agua, la heterogénea sería la que provocaría la congelación a 273 K (0ºC) y la homogénea sería la cota inferior de temperatura a la que se podría llegar superenfriando sin que solidificase.

Ahora es fácil entender por qué motivo queremos que el agua tenga un mínimo de impurezas. Si no aparece la nucleación heterogénea nos encontraremos que podemos llegar, a presión atmosférica, hasta ni más ni menos que a unos 231 K (-42ºC).

La pregunta ahora es: ¿por qué, al perturbar el sistema, se congela? Bien, definamos primero la perturbación. En el video, observamos que se da un golpe a la botella, pero también podríamos haber abierto el tapón y tirar dentro, por ejemplo, un trozo de hielo.

Si nos centramos en ésta última perturbación, se entiende rápidamente que estamos introduciendo directamente un enorme núcleo que provocara la congelación en cadena de las demás moléculas adyacentes a él. Obviamente, también estaremos interactuando mecánicamente con el fluido.

¿Y en el caso del golpe? Bien, hemos comentado que retrata de un estado metaestable. Los estados metaestables tienen una característica especial (a la cual deben el nombre) y es que al ser perturbados decaen automáticamente a un estado completamente estable. En nuestro caso, el hielo.

Como ejemplo de superenfriamiento y una forma divertida para aplicarlo, por ejemplo, podemos hacer una pequeña broma a los colegas:

Pero no todos los ejemplos son de éste tipo. El superenfriamiento lo encontramos en un tipo de lluvia muy y muy peligrosa, la lluvia engelante:

Sus gotas son de agua superenfriada, y cuando golpean el suelo se congelan instantáneamente. No es difícil adivinar qué efecto puede tener si le sumamos una calzada y vehículos a una buena velocidad.

Por el contrario, también es posible supercalentar el agua. El proceso es análogo al de superenfriar y la diferencia la encontramos en que, al perturbar el líquido, éste hierve de forma violenta. Aunque es difícil de observar, puede perfectamente darse en un vaso de agua que pongamos en el microondas a calentar. Si el recipiente no está muy rallado (y por lo tanto no aloja bolsas de aire que hacen de puntos de nucleación) y las perturbaciones del microondas no son muy grandes (hoy en día los platos giratorios son suficientes en la mayoría de los casos para evitar este efecto), podemos llegar a supercalentar el agua. Si luego lo perturbamos, sea con una cuchara, café soluble o cualquier cosa, puede hervir de repente y producirnos alguna lesión.

Una forma de evitar que esto pase, es poniendo la cucharita en el vaso cuando lo metamos en el microondas. Si bien una cuchara de metal haría este papel perfectamente (y se puede meter en el microondas sin ningún riesgo, ya dedicaré alguna entrada al tema), también se calentaría mucho. Lo mejor, en estos casos, es poner una cuchara de madera o similar. Para terminar, os dejo con un video de un supercalentamiento: