¿POR QUÉ EL CIELO ES AZUL? ¿Y EL MAR?...

Hay muchas preguntas que pueden parecer tontas, y en muchas ocasiones, pueden ser finalmente las más interesantes de responder. ¿Por qué el cielo es azul?... es, tal vez, una de esas preguntas tontas que no nos planteamos por lo cotidiano que es para nosotros. El cielo azul siempre está ahí, día tras día. Cuando se plantea esa pregunta a la gente, en muchas ocasiones, nos encontramos con esta respuesta: El cielo es azul porque se refleja el mar que es azul. Lamentablemente, la respuesta no es esa y no es tan sencilla… Vamos a intentar darle respuesta.

El color azul del cielo está relacionado con dos elementos: la composición de la luz solar y la humedad de la atmósfera. Si dejamos pasar un rayo de sol por un prisma de vidrio la luz se abre en un abanico de colores (fenómeno denominado Dispersión) por Refracción de la luz. Como resultado de esta Dispersión se observa la gama de colores conocida en el Arco Iris: violeta, azul, verde, amarillo y rojo. El color violeta es el que se separa más de la dirección del rayo incidente blanco y el color rojo el que menos. La desviación es máxima para los rayos de longitud de onda corta (violeta y azul), y mínima para los de longitud de onda larga (amarillos y rojos), que prácticamente no son desviados. Los rayos violetas y azules, una vez desviados, chocan con otras partículas suspendidas en el aire y nuevamente varían su trayectoria. Este proceso se realiza de forma sucesiva. Es decir, la radiación azul y violeta realiza un movimiento en zigzag a lo largo de la atmósfera antes de alcanzar la superficie terrestre. Cuando esta radiación violeta y azul llega a nuestros ojos ya no parece venir directamente de su fuente, el Sol, sino que llegan de todas las regiones del cielo. Esa es la razón por la que el cielo nos parece azul. Pero, ¿por qué el Sol aparece de color amarillo?... Como se ha indicado, la radiación amarilla y roja sufre una desviación muy baja y llegan, prácticamente, en línea recta desde el Sol hasta nuestros ojos.

Pero entonces, el color del cielo debería ser violeta por ser esta longitud de onda la más corta de todas. No lo es por dos razones:

- La luz solar contiene más radiación azul que violeta.

- El ojo humano es más sensible a la luz azul que a la violeta.

Esta última idea nos lleva a otro punto interesante. El color del cielo debe de depender del ojo que mira. En función de las características fisiológicas del ojo de las distintas especies para captar mayor o menor franja de radiación solar, el color del cielo se modificará.

Resumiendo: El color azul del cielo se debe a la mayor difusión en la atmósfera de las ondas cortas de la radiación luminosa. El color del sol es amarillo-rojizo y no blanco, porque si a la luz blanca procedente del Sol se le elimina el color azul-violeta, se obtiene una luz de color amarillo-roja.

Simulación química del cielo azul y de la puesta de Sol

Observa el siguiente vídeo:

Reacción química implicada:

Na₂S₂O₃ (s)  +  2 HCl (aq)  === 2 NaCl (s)  +  SO₂ (g)  +  S (s)  +  H₂O(l)

¿Por qué ocurre lo que observamos?

Al añadir ácido clorhídrico al tiosulfato de sodio se forma, entre otros productos, azufre elemental. Este azufre es coloidal. El rayo de luz se hace visible en la disolución como un “cono Tyndall” azulado debido a la luz dispersada por las partículas del coloide. La luz azul es dispersada más eficazmente que la roja, de manera que la luz transmitida que alcanza la pantalla se vuelve roja y luego pierde intensidad  gradualmente, conforme las partículas del coloide aumentan en número hasta llegar a obstruir toda la luz transmitida. Esto provoca un efecto parecido al de una puesta de Sol.

Como se ha indicado, el color que más se dispersa es el violeta pero por la fisiología de nuestro ojo apreciamos mejor el azul. Entonces, ¿eso significa que el cielo podría tener otros colores en función del “ojo que mira”?... (Sería igual para una abeja que para un ser humano, por ejemplo).

Podemos plantear una nueva cuestión, ¿por qué el agua del mar es azul?... Nuevamente, alguien podría comentar que es por la reflexión del cielo sobre ella. Otra vez, la respuesta no es correcta. La respuesta es exactamente igual que la del cielo. En este caso, las moléculas de agua son las encargada de producir la dispersión de la luz (igual que antes el aire el responsable). Entonces, ¿por qué en un vaso el agua es transparente?... Para producirse el fenómeno de la dispersión de la luz, es necesario tener una zona amplia de acción. Por ello, en el vaso no apreciamos este fenómeno pero en una piscina sí empieza a ser apreciable.

Para saber más…

Una explicación más profunda, pero que alcanza la misma conclusión, requiere basarse en la interacción entre la radiación electromagnética y la materia en forma de átomos. Por un lado, la luz es una onda electromagnética y por otro, la atmósfera está llena de partículas que poseen tienen un tamaño igual o inferior al de la longitud de onda de la luz incidente (como por ejemplo, átomos aislados o pequeñas moléculas). En la interacción entre la luz y la materia, la onda luminosa cede parte de su energía a la corteza atómica de la partícula que comienza a oscilar. Es decir, la radiación luminosa incidente se debilita al ceder parte de su energía. Esta energía no se queda almacenada en la atmósfera, pues cualquier átomo o partícula pequeña cuya corteza se agita, y se acaba radiando en forma de onda electromagnética al entorno en cualquier dirección. Este proceso de cesión y remisión de energía por partículas de tamaño atómico se denomina Difusión de RAYLEIGH (en honor al físico británico y premio Nobel John William Strutt (1842-1919), tercer barón de Rayleigh). En su estudio, Lord Rayleigh determinó que la intensidad (I) de la luz dispersada por una pequeña partícula en un haz de luz de longitud de onda (λ) e intensidad (Io) viene dada por:

Dónde R es la distancia a la partícula, θ es el ángulo de dispersión, n es el índice de refracción de la partícula y d es el diámetro de la partícula.

Como consecuencia de esta ecuación, la luz dispersada es inversamente proporcional a la longitud de onda, llegamos a la misma conclusión. La radiación violeta (con menor longitud de onda) es la más difundida y la menos difundida, será la radiación roja (por su mayor longitud de onda). El resultado es que la luz que nos llega desde el Sol en línea recta, al alcanzar la atmósfera se difunde en todas direcciones y “llena” toda la atmósfera con la tonalidad azulada.

Para saber más sobre el color rojo del Sol en las puesta de Sol...

Para saber más sobre el color del cielo para una abeja y para el ser humano...

Por lo tanto, es de esperar que para una abeja el cielo presente una tonalidad violeta más que azul. Por tanto, podemos decir que El color del cielo depende del ojo que mira.

EL DISCO DE EULER

Fíjate en el siguiente vídeo. Parece que no se va a parar, y además, el sonido que produce se termina de forma abrupta. Este experimento se puede realizar con monedas, platos, tapaderas,... pero este juguete (con mucha miga) optimiza todas las condiciones para que el proceso dure más.

Como hemos indicado, este experimento puede realizarse con múltiples objetos. Una de las condiciones a tener en cuenta es la masa del objeto que gira. Cuánto mas pesado sea el objeto, mejor funcionará. ¿La razón?... Así conseguimos acumular mayor energía potencial a inicio del proceso.

Como hemos visto, la forma de funcionar es bastante sencilla: ponerlo sobre la superficie y hacerlo girar. Pero, ¿por qué ocurre lo que observamos?... Por desgracia, la explicación no es tan sencilla. 

La explicación, más sencilla, se puede basar en el Principio de Conservación de la Energía. Al hacer girar el disco de Euler, el disco contiene tanto energía potencial como cinética. La energía potencial se debe al colocar en posición vertical el disco sobre uno de sus lados. La energía cinética se le da al hacerle girar sobre la base de espejo. De forma gradual, esta energía se va disipando por acción de la fuerza de rozamiento con el aire y con la superficie del espejo. Como este rozamiento es muy pequeño, el disco de Euler tarda mucho tiempo en detenerse.

Como te has fijado en el vídeo, para conseguir que el disco de Euler gire más tiempo, la superficie óptima debe ser ligeramente cóncava, ¿por qué?... La razón hay que buscarla en el estudio del movimiento de rotación y dos conceptos fundamentales: velocidad angular y precesión. La velocidad angular tiende a cero según el disco se va tumbando más y más. La velocidad de precesión aumenta de forma progresiva mientras el disco se va tumbando hasta que se alcanza una singularidad justo en el momento en que el disco de Euler se detiene.

Como una peonza, el disco Euler utiliza su momento angular para mantenerse derecho. A medida que el disco describe un círculo se mantiene en su lugar por un equilibrio de la fuerza gravitatoria que empuja el disco hacia abajo y la fuerza aplicada por la base del espejo, que mantiene el disco hacia arriba. 

¿Por qué el sonido termina de forma tan abrupta?... El matemático H. Keith Moffatt del Instituto Isaac Newton de Ciencias Matemáticas en Cambridge (Inglaterra), propuso una explicación de por qué este movimiento termina de manera tan abrupta en lugar de hacerlo suavemente cuando el disco gira más rápidamente. Para este investigador, la responsable es la delgada capa de aire atrapada entre el disco y la mesa. Cuando su inclinación se hace más pronunciada, el disco aprieta y retuerce el aire que hay debajo. Esta idea está todavía por comprobar.

¿Y por qué llamarlo disco de Euler?... Por el matemático y físico Leonhard Paul Euler (1707-1783) que realizó, entre otras, grandes aportaciones al estudio del movimiento de rotación de los cuerpos.

Para un estudio pormenorizado de la disipación de energía en el disco de Euler, recomiendo el siguiente enlace: Disco de Euler y la disipación de la energía.

¿POR QUÉ LA SANGRE ES ROJA Y LA HIERBA VERDE?

Aunque a primera vista la pregunta parece no tener sentido, desde el punto de vista químico sí existe una relación entre la sangre y la hierba: el pirrol.

Fórmula química del pirrol

Estructuras anilladas que toman como base el pirrol son las responsables de algunos de los pigmentos más importantes que podemos encontrarnos en la naturaleza. Estas estructuras anilladas, que reciben el nombre de porfirinas son macromoléculas que contienen cuatro anillos de pirrol unidos mediante enlaces de coordinación. Las porfirinas son moléculas planas y presentan un sistema conjugado del 18 electrones pi.

Fórmula química de la porfirina

(Cristales rojos)

La importancia de las porfirinas reside en su gran estabilidad y color. Tienen gran tendencia a formar complejos junto con iones metálicos. En estos complejos no existen los hidrógenos unidos a los dos átomos de nitrógeno (como en la porfirina) sino que cada nitrógeno dona un par de electrones al ion metálico que se encuentra en el centro de la macromoléculas.

Curiosamente, en la Naturaleza nunca se ha encontrado la porfirina. Sin embargo, lo que sí se encuentra son compuestos que parten de su estructura con cadenas laterales en los anillos del pirrol. Esas estructuras son algunas de las más importantes desde el punto de vista biológico.

Por ejemplo, el heme, es un compuesto de porfirina-hierro causante del color rojo de la sangre arterial.

Fórmula química del Heme

(Agujas marrones con brillo violeta)

El heme está presente en la células rojas de la sangre formando un complejo junto con una proteína llamada globina. Este complejo recibe el nombre de hemoglobina. Éste es el que produce la unión con el oxígeno molecular y su transporte hacia lugares donde se necesita. El átomo de hierro se asocia con cuatro nitrógenos de la porfirina pero presenta dos posiciones adicionales de coordinación, por encima y por debajo del plano del anillo de porfirina. Un anillo de imidazol, procedente de una unidad de histidina de la proteína, ocupa uno de esos sitios. El segundo es el que se encuentra disponible para unirse de forma reversible con el oxígeno. La toxicidad del monóxido de carbono reside en que también puede unirse por este mismo punto de anclaje evitando de esta manera el transporte de oxígeno hacia los pulmones.

El heme también se asocia con la mioglobina para realizar una función de parecidas características: transportar oxígeno a través de los músculos.

¿Y el color verde de las plantas?... Este color se debe a la clorofila que es un complejo formado entre un ione de magnesio y una porfirina modificada. Aunque solemos hablar de Clorofila, lo más preciso sería hablar de Clorofilas ya que existen varios tipos: Clorofila A, Clorofila B, Clorofila C1, Clorofila C2, Clorofila D y Clorofila F. Las inmensa mayoría de los organismos fotosintetizadores presentan la Clorofila A y B.

La clorofila A es un éster del fitol, un alcohol de cadena larga que ayuda a la solubilidad de dichos pigmentos en los cloroplastos.

Fórmula química de la clorofila A

La clorofila B difiere de la clorofila A en que se ha reemplazo un grupo metilo de un anillo por un grupo aldehído.

Diferencia entre la clorofila A y la B

THINKING PUTTY MAGNETIC

¡Vaya con el nombre!... Conocido también como plastifica inteligente, esta sustancia, que diremos que es un fluido no newtoniano, tiene un comportamiento físico y químico muy interesante que nos permite hacer esas cosas curiosas.

Creado originalmente como sustituto del caucho durante la II Guerra Mundial, esta sustancia es un polímero de silicona con propiedades físicas inusuales. Puede rebotar, pero se rompe cuando se le da un golpe fuerte. A todas luces parece un sólido pero también puede fluir como un líquido. Todo se debe fundamentalmente al carácter viscoelástico que posee y que le hace comportarse como un fluido no newtoniano. De forma sencilla podemos decir que actúa como un líquido viscoso cuando la fuerza aplicada sobre él es poco intensa y actúa en un período de tiempo largo, pero será como un sólido elástico si la fuerza aplicada es intensa y actúa durante un período de tiempo corto. Por eso, como se ve en el vídeo, se puede deformar con la mano pero rebota al lanzarla contra el suelo. Las propiedades viscoelásticas se deben al polidimetilsiloxano. La viscosidad aumenta de manera proporcional con la fuerza aplicada sobre el objeto.

Como se ha indicado, en un fluido no newtoniano la viscosidad (resistencia a fluir) varía con el gradiente de la fuerza que se le aplica, es decir, se deforma en la dirección de la fuerza aplicada. Como resultado, un fluido no newtoniano no tiene un valor de viscosidad definido y constante, a diferencia de un fluido newtoniano. Este tipo de fluidos se comportan como fluidos newtonianos cuando la tensión o fuerza aplicada es pequeña. Sin embargo, si sobre ellos se le aplica una tensión intensa en un corto espacio de tiempo, el material se estresa, aumentando su viscosidad proporcionalmente a dicha solicitud.

Sus propiedades ferromagnéticas son las responsables de su comportamiento frente a los imanes. Además, su naturaleza fluida hace que rodee completamente al imán que se encuentra en su proximidad. Esa es la razón por la cual parece devorar al imán o seguirlo en todas direcciones como se observa en el vídeo.

Por otro lado, su viscosidad depende de la temperatura (como es de esperar en un fluido no newtoniano)y su fluidez varía visiblemente con la temperatura ambiental.

Por último, es una sustancia soluble en alcohol. Si se sumerge el tiempo suficiente, se disolverá completamente perdiendo sus propiedades viscoelásticas.

DATO HISTÓRICO

Durante la Segunda Guerra Mundial, Japón invadió países productores de caucho, ya que ampliaron su esfera de influencia en la cuenca del Pacífico. Como el caucho era vital para la producción de balsas, neumáticos, piezas de vehículos y aviones, máscaras de gas, y botas en los EE.UU., fueron racionados todos los productos de caucho y el gobierno financió investigaciones en compuestos de caucho sintético para tratar de resolver esta escasez. Esa sería la razón del descubrimiento de esta sustancia.

DATOS CURIOSOS

- En casa, se puede utilizar para eliminar sustancias como pelusa, pelo de animales o la tinta de diferentes superficies.
- Los fisioterapeutas la utilizan para la rehabilitación de lesiones en las manos.
- Se utiliza como una herramienta para ayudar a reducir el estrés (con diversas viscosidades).
- Debido a sus características adhesivas, fue utilizado por los astronautas del Apolo VIII para asegurar sus herramientas en gravedad cero.