El color de una nube depende principalmente del color de la luz que recibe. La fuente natural de luz de la Tierra es el sol, que proporciona luz «blanca». La luz blanca combina todos los colores en el «espectro visible», que es la gama de colores que podemos ver.
Cada color en el espectro visible representa ondas electromagnéticas de diferentes longitudes. Los colores cambian a medida que la longitud de onda aumenta de violeta a índigo a azul, verde, amarillo, naranja, rojo y rojo intenso.
A medida que aumenta la longitud de una onda de luz, su energía disminuye. Esto significa que las ondas de luz que componen las violetas, el índigo y el azul tienen niveles de energía más altos que el amarillo, el naranja y el rojo.
Una forma de ver los colores de la luz solar es mediante el uso de un prisma. La velocidad de la luz disminuye ligeramente a medida que se mueve hacia el prisma, lo que hace que se doble ligeramente. Esto se llama refracción. El grado de refracción varía con el nivel de energía de cada onda.
Las ondas de luz de energía más baja refractan menos, mientras que las ondas de energía más altas exhiben la mayor refracción. El resultado final es una dispersión de la luz en un arco iris de colores.
Los arco iris son en parte el resultado de la refracción de la luz solar a través de una gota de lluvia, que actúa como un prisma.
Entonces, si la luz del sol es «blanca», ¿por qué el cielo es azul?
Los átomos y moléculas que componen los gases en la atmósfera son mucho más pequeños que las longitudes de onda de la luz emitida por el sol.
A medida que las ondas de luz entran en la atmósfera, comienzan a dispersarse en todas direcciones por colisiones con átomos y moléculas. Esto se llama dispersión de Rayleigh, el nombre de Lord Rayleigh.
El color del cielo es el resultado de la dispersión de TODAS las longitudes de onda. Sin embargo, esta dispersión no está en una porción igual, sino fuertemente ponderada hacia las longitudes de onda más cortas.
A medida que la luz solar entra en la atmósfera, gran parte de las ondas de luz violeta se dispersan primero, pero muy altas en la atmósfera y, por lo tanto, no se ven fácilmente. Las ondas de luz de color índigo se dispersan a continuación y se pueden ver desde grandes altitudes, como aviones a reacción que vuelan a altitudes normales de crucero.
A continuación, las ondas de luz azul se dispersan a una velocidad cuatro veces mayor que las ondas de luz roja. El volumen de dispersión por las ondas de luz azul más cortas (con dispersión adicional por violeta e índigo) domina la dispersión por las longitudes de onda de color restantes. Por lo tanto, percibimos el color azul del cielo.
Si el cielo es azul, ¿por qué las nubes son blancas?
A diferencia de la dispersión de Rayleigh, donde las ondas de luz son mucho más pequeñas que los gases de la atmósfera, las gotas de agua individuales que componen una nube son de tamaño similar a la longitud de onda de la luz solar. Cuando las gotas y las ondas de luz son de tamaño similar, se produce una dispersión diferente, llamada dispersión «Mie».
La dispersión Mie no diferencia los colores individuales de longitud de onda y, por lo tanto, dispersa TODOS los colores de longitud de onda de la misma manera. El resultado es una luz «blanca» igualmente dispersa del sol y, por lo tanto, vemos nubes blancas.
Sin embargo, las nubes no siempre aparecen blancas porque la neblina y el polvo en la atmósfera pueden hacer que aparezcan de color amarillo, naranja o rojo. Y a medida que las nubes se espesan, la luz solar que pasa a través de la nube disminuirá o se bloqueará, dándole a la nube un color gris. Si no hay luz solar directa que golpee la nube, puede reflejar el color del cielo y aparecer azulado.
Rayleigh y Mie
Algunas de las nubes más pintorescas ocurren cerca del amanecer y el atardecer, cuando pueden aparecer en amarillos brillantes, naranjas y rojos. Los colores son el resultado de una combinación de dispersión de Rayleigh y Mie.
A medida que la luz pasa a través de la atmósfera, la mayoría de las longitudes de onda azules más cortas se dispersan, dejando que la mayoría de las ondas más largas continúen. Por lo tanto, el color predominante de la luz solar cambia a estas longitudes de onda más largas.
Además, a medida que la luz entra en la atmósfera, se refracta con la mayor curva en su camino cerca de la superficie de la tierra, donde la atmósfera es más densa. Esto hace que el camino de la luz a través de la atmósfera se prolongue, permitiendo aún más la dispersión de Rayleigh.
A medida que la luz continúa moviéndose a través de la atmósfera, las longitudes de onda amarillas se dispersan dejando longitudes de onda naranjas. La dispersión adicional de longitudes de onda anaranjadas deja al rojo como el color predominante de la luz solar.
Por lo tanto, cerca del amanecer y el atardecer, el color de una nube es el color de la luz solar que recibe después de la dispersión de Rayleigh. Vemos el color de la luz solar debido a la dispersión de Mei que dispersa todos los colores de longitud de onda restantes por igual.
El color de la percepción
A veces, bajo la luz solar directa, las nubes aparecerán de color gris o gris oscuro contra un cielo azul o un fondo más grande de nubes blancas. Por lo general, hay dos razones para este efecto.
- Las nubes pueden ser semitransparentes, lo que permite ver el cielo azul de fondo a través de la nube. Por lo tanto, le da un aspecto más oscuro.
- Una razón más común es el contraste entre el fondo (cielo azul o nubes adicionales) y la nube en primer plano abruma nuestra visión. En esencia, nuestros ojos son engañados con nuestra percepción de nubes en primer plano que aparecen oscuras en relación con el brillo abrumador del fondo.
Esta última razón es por la que las manchas solares se ven oscuras. El brillo del sol se basa en la temperatura y la temperatura de una mancha solar es más baja que la superficie circundante del sol.
En relación con la superficie del sol, las manchas solares aparecen bastante oscuras. Sin embargo, si las manchas solares se aislaran del brillo circundante, seguirían siendo demasiado brillantes para mirarlas con el ojo desprotegido. El contraste de brillo entre los dos es lo que hace que las manchas solares parezcan oscuras.