Física de las nubes iridiscentes

Fotografía sin filtros tomada con una cámara Nikon D80 por Diego Villuendas Pellicero (@dieguico) en Aragón, España  (diciembre de 2012). Con permiso del autor (más fotos en Flickr).

Fotografía sin filtros tomada con una cámara Nikon D80 por Diego Villuendas Pellicero (@dieguico) en Aragón, España (diciembre de 2012). Con permiso del autor (más fotos en Flickr).

Las nubes iridiscentes de bellos tonos pastel son un fenómeno óptico atmosférico que muchos hemos observado en el cielo. Su origen es la difracción de la luz solar al incidir en las partículas (cristales hielo o gotas de agua) de la nube. Su aparición requiere que las partículas sean pequeñas (de pocos micrómetros), que estén estratificadas en capas con partículas de tamaño similar (si los tamaños varían mucho en cada capa el color se vuelve blanquecino) y que las nubes sean tenues (para que la luz atraviese sólo una partícula y no varias).

Permíteme una introducción a las nociones físicas básicas que explican este curioso fenómeno [1]. La difracción es un efecto debido a las propiedades ondulatorias de la luz. Una onda es un fenómeno oscilatorio que se caracteriza por una longitud de onda (o una frecuencia). El arco iris se produce por la refracción de la luz del Sol dentro de una gota de agua. Los colores del arco iris corresponden a diferentes longitudes de onda, desde unos 380 nm (nanómetros) para el violeta hasta unos 780 nm para el rojo. La velocidad de las ondas de luz dentro de la gota de agua (el índice de refracción) depende de la longitud de onda, con lo que la luz blanca del Sol se dispersa y abandona la gota formando una banda de colores (Isaac Newton diría que la luz se “descompone” en los colores del arcoiris porque las gotas actúan como pequeños prismas). Cuando las gotas de una nube son muy pequeñas, no pueden actuar como prismas y no se produce el fenómeno del arcoíris, pero entra en acción la difracción.

Corona lunar

Fotografía de la corona lunar tomada por Wing-Chi Poon (julio de 2007). Wikipedia Commons.

Al observar la Luna llena a través de las nubes en una noche un poco nubosa la vemos rodeada de una aureola o anillo de colores pastel, llamado corona lunar (también se observa en el Sol durante el día). La zona central presenta tonos azulados y está rodeada por una región de tonos rojizos. Este fenómeno es debido a la difracción de la luz de la Luna (o del Sol) a través de una fina capa de gotas de agua (o cristales de hielo) de la nube.

La difracción se observa cuando la luz incide sobre un objeto pequeño cuyas dimensiones son comparables con su longitud de onda. El frente de onda se obstruye al colisionar con un objeto pequeño o al atravesar una pequeña rendija, que actúan como fuente de ondas secundarias de la misma frecuencia que la onda incidente. La interferencia de estas ondas produce un patrón de máximos (y mínimos), donde las ondas se suman (o restan). El tamaño del objeto o de la rendija es fundamental. Si el objeto es grande, comparado con la longitud de onda, la interferencia es efectiva sólo muy cerca de dicho objeto (difracción de campo cercano o de Fresnel) y no se observa lejos (como fenómeno atmosférico). Para un objeto con un tamaño similar a la longitud de onda, la interferencia también se observa lejos del objeto (difracción de campo lejano o de Fraunhofer).

Para explicar la formación de la corona (lunar), podemos recurrir a la teoría de Fraunhofer. Para que se produzca la difracción es necesario que las gotas de agua de la nube tengan un tamaño pequeño, entre 2,5 y 25 μm (micrómetros), es decir, más o menos entre 5 y 50 veces la longitud de onda de la luz visible. El patrón de difracción se observará lejos, a distancias mayores de πd²/λ, donde d es el diámetro de las gotas y λ la longitud de onda (esta condición se cumple casi siempre que observamos una nube desde el suelo).

Además, para ángulos pequeños, la teoría de Fraunhofer nos dice que la posición angular de los máximos y mínimos del patrón de difracción de colores cumple θ ~ mλ/d, donde m es una constante igual a 0, 1.6, 2.7, 3.7, … para los máximos y 1.2, 2.2, 3.2, … para los mínimos. Esta fórmula explica que los tonos rojizos (mayor longitud de onda) se encuentren en la parte exterior de la corona y los tonos azulados (mayor longitud de onda) en la parte interior (aproximadamente a una distancia angular de 2/3 respecto al patrón rojizo). Además, la fórmula también nos dice que las gotas más pequeñas producirán anillos de luz más grandes (que ocupan una mayor región del cielo).

La iridiscencia de las nubes también se explica mediante la teoría de la difracción de Fraunhofer cuando el tamaño de las partículas (gotas de agua o cristales de hielo) varía de una región a otra de la nube. Cuando una nube se evapora, las gotas cerca de los bordes de la nube desaparecen más rápido que las que se encuentran en el interior de la nube, por lo que en una nube en evaporación las gotas se estratifican estando las más pequeñas cerca de los bordes. Si el Sol brilla a través de una capa de nubes cuyas gotas cambian poco de tamaño se observarán anillos de difracción en forma de arcos de círculo más o menos distorsionados. Sin embargo, cuando los tamaños de las gotas varía mucho de unas zonas de la nube a otras se observan bandas de diferentes colores, tonos pastel de rosas, naranjas, verdes y azules que se alternan como en la fotografía que abre esta entrada.

Un análisis de la distancia angular entre las bandas de diferentes colores y de su posición relativa con la posición del Sol permite determinar los diámetros de las gotas de la nube que produce la iridiscencia. Para la medida ayuda disponer de un láser verde de gran potencia (como los usados por los aficionados a la astronomía) para realizar fotografías del fenómeno con las que obtener medidas de ángulos de mayor precisión. Los físicos aficionados a estos experimentos disfrutarán con la descripción de los detalles del artículo de Shaw y Pust [4]. Como no quiero aburrir a los demás, permíteme acabar con una nota histórica.

La primera descripción científica de la difracción fue de Leonardo da Vinci (c. 1500) y los primeros experimentos de F. M. Grimaldi (1665). Isaac Newton trató de desarrollar sin éxito una teoría para la difracción (que el llamó inflexion). La teoría ondulatoria correcta de la difracción fue desarrollada por A.-J. Fresnel (1818), para la difracción de campo cercano, y por J. Fraunhofer (1821), para la difracción de campo lejano; la teoría general para la difracción en partículas esféricas es de G. Kirchhoff  (1882).

La aplicación de la difracción para entender las coronas lunares y solares es de E. Mascart (1889), quien aplicó la teoría de Fraunhofer. Se puede determinar el tamaño de las gotas de agua de las nubes utilizando la posición de los máximo y de los mínimos del patrón de difracción, como mostró E. J. Humphries (1929). Desde entonces se han realizado gran número de estudios sobre las nubes iridiscentes [2,3].

Referencias

[1] Robert Greenler, “Rainbows, halos, and glories,” Cambridge University Press, 1980.

[2] Joseph A. Shaw, Paul J. Neiman, “Coronas and iridescence in mountain wave clouds,” Applied Optics 42(3): 476-485, January 2003.

[3] Kenneth Sassen, “Cirrus cloud iridescence: a rare case study,” Applied Optics 42(3): 486-491, January 2003.

[4] Joseph A. Shaw and Nathan J. Pust, “Icy wave-cloud lunar corona and cirrus iridescence,” Applied Optics 50(28): F6-F11, October 2011.

Sobre el autor: Francis Villatoro (@emulenews) es profesor del Departamento de Lenguajes y Ciencias de la Computación en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de la Universidad de Málaga, autor del blog Francis (th)E mule Science’s News y colaborador de Naukas.


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