¿Por qué el cielo es azul de día y negro de noche?

La luz tiene que llegar al ojo

Imagina una linterna que ilumina de un lado a otro una habitación oscura. En la pared se ve una mancha iluminada. Si hay polvo en el aire, también puedes ver el haz desde un lado: parte de la luz cambia de dirección al interactuar con las motas de polvo y entra en el ojo. Ese cambio de dirección se llama dispersión.

El ejemplo explica el recorrido de la luz, pero no el color del cielo: las motas grandes y las moléculas del aire interactúan con la luz de forma distinta. Incluso el aire limpio basta para producir un cielo azul, sobre todo gracias a sus moléculas de nitrógeno y oxígeno. El Sol las ilumina y ellas dispersan parte de esa luz hacia nosotros. Por eso también nos llega luz de zonas del cielo alejadas del Sol. NASA: la dispersión de la luz.

En el espacio casi vacío entre objetos iluminados no existe ese fondo atmosférico brillante. Un haz que pasa de largo sin entrar en el ojo no se hace visible por sí solo. Podemos ver un suelo muy iluminado y, al mismo tiempo, un cielo negro encima.

La Luna nos ofrece precisamente esa comparación. Tiene una envoltura de gas extremadamente tenue, una exosfera, pero carece de la atmósfera densa que forma la bóveda azul terrestre. Así lo describe la NASA en su explicación de las condiciones lunares.

Por qué el aire aporta un tono azul

La luz solar contiene toda una gama de colores visibles. Un prisma puede separarlos en una franja de colores: un espectro. La luz tiene propiedades ondulatorias: la longitud de onda es la distancia entre dos crestas consecutivas de una onda luminosa. En el espectro visible, el rojo corresponde a ondas más largas, y el azul y el violeta, a ondas más cortas. NASA: la luz visible.

Las moléculas del aire son mucho más pequeñas que la longitud de onda de la luz visible. En estas condiciones, las ondas cortas se dispersan con más eficacia que las largas. Es la dispersión de Rayleigh. Cuando miramos un cielo despejado en una dirección alejada del Sol, recibimos luz con una mayor proporción de ondas cortas y la percibimos como azul.

La luz roja también se dispersa, aunque menos. El aire no clasifica los rayos en unos que «siempre siguen rectos» y otros que «siempre giran». Va cambiando la proporción de colores en la luz directa y en la dispersada. NASA: cómo depende la dispersión de la longitud de onda.

En el esquema, compara por separado dos condiciones: si hay moléculas capaces de desviar la luz hacia el ojo y si el Sol las ilumina. El vacío ideal permite imaginar que eliminamos la primera condición; la noche terrestre elimina la segunda.

Un recorrido más largo da un atardecer más rojo

Ahora cambiemos la geometría. Cuando el Sol está alto, su luz recorre un trayecto relativamente corto por la atmósfera hasta llegar a la superficie. Cerca del horizonte, el haz la atraviesa en diagonal y pasa por mucho más aire. La atmósfera no se ha vuelto de pronto más gruesa al atardecer: ha cambiado la dirección del haz.

A lo largo de ese recorrido mayor, la dispersión retira más ondas cortas del haz directo. En la luz que sigue llegando del Sol aumenta la proporción de ondas largas. Por eso el Sol bajo y las nubes que ilumina pueden verse anaranjados o rojos. Es el mismo mecanismo que produce el cielo azul diurno, pero ahora seguimos la luz que permanece en el haz directo. NASA Earth Observatory: el largo recorrido de la luz al atardecer.

Un atardecer rojo no significa que todo el cielo deba volverse rojo a la vez. En distintas direcciones vemos luz que ha seguido recorridos diferentes; las nubes, el polvo y la bruma modifican el panorama. Esta breve explicación no predice el tono exacto de una tarde concreta.

Las nubes también muestran el límite de la regla molecular. Sus gotas son mucho mayores que las moléculas y dispersan los colores visibles de forma menos selectiva. Una nube iluminada con luz blanca puede parecer blanca; su parte inferior gruesa puede verse gris porque le llega menos luz. NOAA: los colores de las nubes.

De noche desaparece la iluminación, pero el aire permanece

Cuando el lugar de observación se encuentra en el lado nocturno de la Tierra, el planeta bloquea la luz solar directa. Las moléculas siguen sobre nosotros, pero la fuente del fondo brillante del día ya no las ilumina como antes. La dispersión no se «apaga»: cambia la iluminación. NASA StarChild: el día, la noche y el espacio oscuro.

Justo después de la puesta del Sol todavía hay claridad. Desde la superficie ya no vemos el Sol, pero parte de la atmósfera situada más arriba sigue iluminada y dispersa su luz hacia nosotros. Es el crepúsculo. A medida que el Sol desciende bajo el horizonte, la iluminación diurna se debilita. NWS: qué es el crepúsculo.

El cielo nocturno tampoco es completamente negro. El aire dispersa la luz de la Luna y la de las farolas. Además, la atmósfera superior emite un débil brillo propio, la luminiscencia atmosférica, o airglow: los átomos y las moléculas liberan energía que recibieron de la radiación solar. NASA: el brillo natural de la atmósfera. «Negro» en el título es nuestra descripción cotidiana de un fondo oscuro, no una afirmación de que no exista luz alguna.

¿Por qué todas las estrellas no sustituyen a la luz del día?

La sombra terrestre explica adónde ha ido el fondo de luz solar. Pero las estrellas siguen brillando. ¿Por qué quedan espacios oscuros entre ellas?

«Están lejos» parece una respuesta suficiente hasta que hacemos otra pregunta: ¿cuántas hay a distancias cada vez mayores? Imaginemos un universo simplificado: infinito, inmutable y lleno de manera uniforme de estrellas que siempre han brillado. Las lejanas son más tenues, pero cada capa de espacio más distante contiene más estrellas. En ese modelo, la distancia por sí sola no nos libra de un cielo uniformemente brillante. La contradicción entre esa expectativa y la noche oscura se llama paradoja de Olbers. Penn State: explicación del modelo estelar.

El universo real no tiene una historia infinita e inmutable de luz estelar. Las estrellas empezaron a formarse en una época determinada y la luz necesita tiempo para llegar hasta nosotros. Por eso no podemos sumar la contribución de una sucesión infinita de estrellas que supuestamente han brillado desde siempre. El tiempo limitado de propagación de la luz en un universo que evoluciona elimina esa expectativa. Eso no significa que hayamos visto un borde espacial del universo. Penn State: resolución de la paradoja de Olbers.

Además, el universo se expande: las longitudes de onda de la luz lejana aumentan y su contribución al fondo visible se debilita. Parte de la radiación pasa fuera del intervalo que detecta el ojo. NASA StarChild: el alargamiento de las ondas. La noche oscura concuerda con esa imagen; por sí sola no mide la edad del universo ni demuestra todos los detalles de su historia.

Tres condiciones que conviene distinguir

Para tener un cielo azul de día hacen falta luz solar, moléculas de aire y un recorrido que permita a la luz dispersada llegar al ojo. En el largo trayecto del atardecer, la luz directa pierde más ondas cortas y se vuelve más roja. Tras el crepúsculo, la Tierra deja en sombra el aire sobre su lado nocturno y el fondo brillante del día se desvanece. Las estrellas no producen un fondo uniformemente brillante porque su luz tiene una historia finita en un universo cambiante.

Intenta predecirlo: si quitáramos mentalmente el aire, pero mantuviéramos la iluminación del Sol, ¿se convertiría el día en noche? El fondo del cielo se oscurecería, pero la superficie y los objetos seguirían iluminados. Hemos eliminado el medio que dispersa la luz, no su fuente: eso distingue el día terrestre del lunar.

Para hacer tu propia observación, espera a que el Sol desaparezca por completo bajo el horizonte y sigue el oscurecimiento del cielo sobre tu cabeza. La predicción es que la oscuridad llega poco a poco, porque la atmósfera superior iluminada aún proporciona luz crepuscular. Compara tardes con distinta nubosidad; no dirijas la mirada ni instrumentos ópticos hacia el Sol.

Puedes volver a la estructura de la envoltura gaseosa terrestre en «¿Qué es el espacio y dónde empieza?». La siguiente pregunta del curso es qué aparece ante nuestros ojos cuando desaparece el fondo brillante del día.