|
La simplicidad y la universalidad de la ciencia radica en que muchos fenómenos naturales, aparentemente inconexos, tienen las mismas explicaciones. Todos los fenómenos eléctricos y magnéticos tienen las mismas bases de explicación: los principios de Maxwell de la electrodinámica clásica. La caída de un rayo, el funcionamiento de un motor eléctrico, el arco iris, lo azul de la bóveda celeste, y la luna roja todos tienen fundamentalmente las mismas explicaciones, todos son fenómenos electromagnéticos.
Lo azul de la bóveda celeste durante el día, el funcionamiento del control remoto a base de luz infrarroja, lo rojo de las partes altas de las montañas y lo rojo de las nubes altas durante el alba y el ocaso son fenómenos muy similares al fenómeno de la luna roja durante eclipses totales de luna. Desde el punto de vista profesional son los físicos los que estudian estos fenómenos naturales y otros muchos. Todos se explican en este escrito.
La tierra es un planeta extraordinario. Es muy bello y de muchos colores que dependen de cada región; hay regiones de tintes blancos, azules y verdes como en algunas costas; o de rojos, cafés, y naranjas como en algunos desiertos. Es casi esférico, de 6 371 km de radio promedio. Tiene una atmósfera también extraordinaria, aunque no uniforme porque es más densa a nivel de la superficie terrestre y va disminuyendo en densidad con la altura, tiene un espesor como de 1000 km. Más allá de 1000 km, el número de partículas por unidad de volumen de la atmósfera es igual al número de partículas por unidad de volumen del espacio interplanetario.
Mil kilómetros es el límite de la atmósfera terrestre; es un poco menos que una sexta parte del radio terrestre. En total la atmósfera terrestre debe de pesar unos 5.5 zetta gramo – esto es 5.5 X 1021 gramo = 5500 000 000 000 000 000 000 g-; está compuesta de gases –Nitrógeno, Oxígeno, y otros en menor cantidad- vapor de agua, polvos, principalmente. La cantidad de polvos en la atmósfera depende de la actividad volcánica, de las tormentas de polvo y de la lluvia. Los átomos miden alrededor de 1 x 10-10 metro, esto quiere decir 0.000 000 000 1 m; es una distancia muy pequeña, no visible a simple vista ni con los más potentes microscopios; un grano de polvo medirá unas mil o diez mil veces ese tamaño; tampoco son visibles a simple vista, pero sí con algunos potentes microscopios.
La luz es una onda electromagnética, es decir, es una ondulación transversal de un campo eléctrico y magnético que puede excitar los ojos humanos; como el sonido es una ondulación longitudinal de medios como el aire que puede excitar a los oídos humanos. Los diferentes colores de la luz se diferencian por las longitudes de onda; como los sonidos que también se diferencian por sus longitudes de onda o por sus frecuencias.
La luz roja tiene unos 700 nm de longitud de onda (setecientos nanómetros, esto es 0.000 000 7 metro), y la luz azul violeta unos 400 nm de longitud de onda. Los granos de polvo que flotan en la atmósfera terrestre tienen aproximadamente estas dimensiones.
Hay todo un continuo en la longitud de onda de la radiación electromagnética; los rayos X tienen longitudes de onda del orden del tamaño de los átomos y las ondas electromagnéticas producidas en el horno de microondas doméstico, y por los radares, tienen longitudes de onda del orden de un milímetro.
Los fenómenos de dispersión de la luz en la atmósfera se producen, en gran medida, por estas relaciones de tamaños entre la longitud de onda de la luz y los componentes de la atmósfera terrestre.
Por la atmósfera terrestre, su composición, y la naturaleza ondulatoria de la luz que llega a la tierra del sol, la atmósfera terrestre durante el día tiene una coloración azul; y no sólo la atmosfera, también las montañas; mientras más lejos está la montaña del observador más azul se ve; y el color amarillo naranja del sol también es
resultado de la dispersión de la luz; y la tonalidad rojiza de las partes altas de las montañas y de las nubes altas, en el ocaso y en el alba, también tienen el mismo origen.
Estos fenómenos atmosféricos siempre han llamado la atención de las personas científicas y legas. A lo largo de la historia de la humanidad diferentes pueblos crearon diferentes mitos e historias para explicarlos. La versión científica es la siguiente:
Las ondas electromagnéticas al chorar elásticamente, es decir sin perder energía, con los átomos y los granos de polvo de la atmósfera terrestre desvían su trayectoria, o se dispersan, esta propuesta fue hecha por Rayleigh; o bien, por fluctuaciones en la densidad de la atmósfera las ondas electromagnéticas desvían su trayectoria de la trayectoria original, o se dispersan, esta propuesta fue hecha por Einstein. Esta desviación en cada caso, o en cada propuesta, depende exactamente igual de la longitud de onda de la luz; mientras más pequeña es la longitud de onda de la onda electromagnética la onda electromagnética se dispersa más.
Cuando el sol está en el cenit –el punto más alto en la bóveda celeste- la luz del sol le llega al observador directamente. En su camino la luz del sol, por ser una onda transversal, se dispersa por choques con los componentes de la atmósfera al ir a través de la atmósfera terrestre siguiendo una ley bien establecida –se conoce como ley de Rayleigh en honor a físico inglés John William Strutt, tercer Barón de Rayleigh, más conocido como simplemente Rayleigh-; Rayleigh publicó sus teorías en una serie de artículos que empezaron en 1871. Y una ley, relación matemática, más general es obtenida suponiendo que la desviación es producida por fluctuaciones en la densidad de la atmósfera terrestre, esta ley se conoce como ley de Einstein-Smoluchowski. Einstein la obtuvo en 1910 y Smoluchowsky la perfeccionó. La ley de Rayleigh es un caso al límite, a densidades bajas, de la ley de Einstein-Smoluchowski.
La luz azul, la violeta, y la ultravioleta se dispersan más que la luz de longitud de onda más larga como el amarillo, el naranja, el rojo, y el infrarrojo. Esto quiere decir que la luz azul se dispersa en todas direcciones en la atmósfera y al observador le llega luz azul de todas direcciones. La atmósfera azul es consecuencia de una lluvia de luz azul de todas direcciones que le llega al observador; y el azul de las montañas lejanas también es una consecuencia de la ley que sigue la dispersión de la luz. Y como el rojo y el naranja se dispersan menos, estos colores llegan más directamente del sol al observador, y el sol aparece de color rojo naranja. Sin la atmósfera terrestre la bóveda celeste aparecería negra y el sol, blanco, como la parte central del filamento incandescente de un foco.
Esta ley de dispersión de la luz tiene aplicaciones muy prácticas en los controles remotos inalámbricos. Éstos son a base de luz infrarroja. Si fueran a base de luz azul o violeta, o ultravioleta también funcionarían, pero serían menos eficientes, de menor alcance, porque la luz azul o violeta, o ultravioleta se dispersa más que la luz roja o infrarroja. Las ondas de radio, por ser de longitud de onda mucho mayor que la longitud de onda de la luz roja, se dispersan todavía menos. Y a longitudes de onda del orden de centímetros pueden pasar completamente la atmósfera terrestre, por esta razón la radioastronomía es posible.
Y hay otros fenómenos atmosféricos que se observan como consecuencia de la dispersión de la luz solar en la atmósfera terrestre. Como las nubes altas pintadas de rojo y las altas partes de las montañas pintadas de grana al alba o al ocaso. También tiene la misma explicación: la dispersión de la luz solar en la atmósfera terrestre. En este caso, cuando el sol se está ocultando, o saliendo, en el horizonte la luz del sol recorre una capa más gruesa de atmósfera, la luz azul, la verde, y la amarilla son eliminadas por dispersión quedando la parte roja, que se dispersa menos, esta parte va y choca con las partes altas de las nubes o las partes altas de las montaña y se refleja directamente al observador, que la percibe. Y la ve roja, porque es la parte que permanece al dispersarse menos.
La tierra tiene otra particularidad: posee un satélite muy grande comparativamente –la masa de ochenta y un lunas equivalen a la masa de la tierra-, su radio es un poco menos que un tercio del radio de la tierra; es casi esférico con un radio de 1,737.1 km; no tiene atmósfera; es de color blanquecino; está salpicado de cráteres que
se han ido formando a lo largo de su historia cósmica; popularmente la serie de cráteres que son vistos desde la tierra y asemejan la silueta de un conejo, son conocidos como el conejo de la luna; y hay frases populares como “es más viejo que el conejo de la luna” para referirse a que siempre ha estado ahí, o que no ha pasado el tiempo por alguien o por algo. La distancia tierra-luna varía con el tiempo; ésta es de 406 700 km en la distancia mayor (apogeo), y de 356 400 km en la distancia menor (perigeo); la luna siempre presenta la misma cara a la tierra, la mayoría de los satélites naturales presentan esta característica con respecto al planeta que gravitan; y se debe a que la tierra, a lo largo de los años cósmicos, ha frenado a lo luna al grado de que el tiempo de rotación es igual al tiempo de translación de la luna –27 días, 7 horas, 43.7 minutos-; dicho de otra forma, el año lunar es exactamente igual al día lunar.
Desde la tierra, por efecto de la atmósfera terrestre y por sus distancias a la tierra, el sol y la luna tienen un tamaño aparente aproximadamente de 0.5 grado en la bóveda celeste –esto quiere decir que del punto más alto en la bóveda celeste al punto más bajo en el horizonte caben 180 soles o 180 lunas puestos en fila sobre un arco de la bóveda celeste-, esto significa que el disco del sol es tapado completamente por el disco de la luna y la sombra de la tierra sobre la luna es casi igual al tamaño de luna. Y por eso se pueden producir los eclipses totales de sol y los eclipses totales de luna. Los eclipses de luna se dan solamente en luna llena y pueden ser vistos desde cualquier punto de la tierra donde sea de noche, pueden ser parciales o totales; los eclipses de sol solamente son visibles desde puntos muy particulares de la superficie terrestre.
Pero en los eclipses de luna se presenta otro fenómeno donde la atmósfera de la tierra es el origen: la luna roja. En las primeras horas del día Abril 15 del año 2014 aconteció un eclipse de luna roja. Un eclipse total de luna llena invariablemente será una luna roja. Que se vea más roja o menos roja dependerá de la cantidad de polvos y de la composición de la atmósfera terrestre, pero siempre será roja. En el dibujo de la figura se ilustra la idea de eclipse lunar y lo roja que podría verse.
Considerando la figura, el sol es de tamaño finito y la distancia sol-tierra aunque muy grande es finita (150 000 000 000 km o distancia promedio más precisa 149 597 870 700 metro, también llamada unidad astronómica). Por esto se produce la penumbra; y la umbra o sombra se produce por el cono de sombra proyectado por la tierra. La luz blanca, compuesta de todos los colores, del sol va a través de la atmósfera terrestre oblicuamente, siguiendo una línea secante, como se ve en la figura, pasando una capa de aire y polvo mucho más grande que 1000 km.
La luz azul se dispersa más que la roja, a la luna le llega más luz roja que de otro color, se refleja en la luna y va a través de la atmósfera terrestre, volviéndose más roja, hasta llegar al observador. De esta forma se ve roja. En igualdad de composición de la atmósfera terrestre, más roja ya no es posible. Se podría ver más roja si se modifica la composición de la atmósfera, agregándole más polvos, como los que provienen de tolvaneras o erupciones volcánicas.
Los próximos eclipses totales, de luna roja, se darán el 8 de Octubre del 2014, el 4 de Abril del 2015, y el 28 de Septiembre del 2015. Es muy común que haya dos eclipses de luna roja al año. En el año 2020 habrá cuatro eclipses de luna roja, lo que es menos común.
La luna roja es un fenómeno natural, tiene las mismas explicaciones que lo azul de la bóveda celeste o lo rojo de las partes altas de las montañas o de las nubes altas durante la alborada o el ocaso. Y no tiene correlación con otros fenómenos naturales como heladas, ciclones, terremotos, y otros como la imaginación popular lo pregona.
____________________
Figura. Esquema de un eclipse de luna. No a escala, simplemente es para exponer las ideas. La posición relativa del sol, de la tierra y de la luna es vista desde afuera y en el plano que contiene la línea que une a estos tres astros. Se ilustra la atmósfera de la tierra. Si la luz no fuera una onda, sino un rayo tal como se ilustra, no se produciría la luna roja porque no habría dispersión de la luz por las partículas de la atmósfera terrestre. Dibujo y composición de imágenes: Julián Félix.
Julián Félix. Laboratorio de Partículas Elementales. Departamento de Física. División de Ciencias e Ingenierías, Campus León, Universidad de Guanajuato.
felix@fisica.ugto.mx, felix@fnal.gov
