FENÓMENOS ÓPTICOS EN LA ATMÓSFERA

Si bien los rayos de luz se propagan en línea recta en el vacío, sus trayectorias pueden modificarse por la presencia de medios materiales, tales como los gases atmosféricos, partículas de nubes y aerosoles. En muchos casos, las desviaciones varían de acuerdo con las longitudes de onda de las componentes de la radiación visible. De esto resulta una variedad de fenómenos ópticos que tienen lugar en la atmósfera y la observación de muchos efectos de colores llamativos.

La dispersión Rayleigh tiene lugar cuando el radio de la partícula dispersora es pequeño en comparación con la longitud de onda de la luz. Es por ello que las moléculas de aire y las partículas más diminutas del aerosol suspendido en la atmósfera difunden la luz azul más que la roja. De aquí la explicación del color azul del cielo y el aspecto rojizo de la salida y puesta del sol.

Una variedad de efectos se producen por las nubes de cristales de hielo, o sea los cirrostratos y los cirrus. La mayoría de los cristales de hielo son del tipo hexagonal con un ángulo de 120º entre las caras adyacentes. El ángulo entre caras alternadas es entonces de 60º y la radiación proveniente del sol puede refractarse al pasar a través de una nube de cristales de hielo. Se desvía hacia el ojo del observador en un ángulo de 20º o más de su dirección original. La intensidad de la luz refractada es máxima para el ángulo de desviación mínimo (aproximadamente 22º). La imagen del sol tien por esto una forma de anillo brillante que se conoce como el halo de 22º (o halo pequeño).

Menos frecuente es el halo de 46º (gran halo) que se produce por refracción de prismas rectangulares. Los cristales de formas no comunes pueden también producir halos con radios de varios valores hasta un mínimo de 7º, pero los mismos son muy raros.

Algunos cristales de hielo tienen una orientación preferencial que depende de su forma. Los prismas simples caen con su eje largo vertical mientras que las placas caen con su cara plana horizontal. Esto conduce a la concentración de la luz en ciertas áreas exteriores al halo correspondiente. Se forman imágenes de distintas formas según sea la elevación del sol. Los mismos se conocen como falsos soles.

Algunos fenómenos ópticos se producen por reflexión en las caras planas del cristal. Por ejemplo, se observa un obelisco luminoso si las caras de los cristales están aproximadamente horizontales.

El fenómeno de halo puede observarse también alrededor de la luna. Sin embargo, es necesario que los cristales de hielo en las nubes estén bien formados, al igual que en el caso de los halos solares. En general, los halos solares y lunares rara vez son completos o persistentes, lo que se debe a los rápidos cambios que ocurren en la composición de las nubes.

Los fenómenos de refracción y reflexión que producen las nubes constituidas por cristales de hielo no se producen en las nubes constituidas por gotitas esféricas y diminutas. No obstante, pueden observarse anillos coloreados más pequeños que se conocen con el nombre de coronas. Una corona tiene como centro el sol y su secuencia de colores es opuesta a la del halo. El rojo aparece en la parte externa mientras que el azul lo hace en la interna, similar a lo que sucede en el arco iris primario.

Las coronas se producen por difracción, esto es, por desviación de la trayectoria del haz de luz al pasar cerca de las pequeñas gotitas de agua. La luz roja es la que más se difracta y esa es la razón por la cual se observa en la parte exterior de la corona. Una buena separación de los colores tiene lugar cuando las gotitas son de tamaño uniforme, y las coronas más nítidas ocurren cuando se hallan presentes nubes tenues, ya sea porque se están formando o se disuelven. Se las observa con mayor frecuencia cuando el sol o la luna brillan a través de nubes altostratus.

El radio de una corona varía en forma inversa al tamaño de las gotitas. La presencia de gotitas de distintos tamaños produce, por lo tanto, áreas coloreadas que son irregulares. Muy frecuentemente pueden observarse manchones de nube sombreados en ros y verde. Esto se conoce como iridiscencia o irisación.

La luz proveniente del sol puede difractarse también cuando pasa cerca de nuestras cabezas. Si una persona se halla de pie sobre un terreno elevado y con su espalda al sol, los rayos coloreados pueden reflejarse hacia los ojos de ella, por la presencia de una niebla de gotitas de agua situada más abajo. La persona puede observar entonces un anillo de colores alrededor de la sombra de su cabeza, esto es una corona de Ulloa (o gloria). A menudo puede observarse una gloria que rodea la sombra de un avión que se proyecta sobre una nube que está debajo.

A veces se observa un arco iris si una persona está de espaldas al sol, y teniendo en frente gotas de lluvia sobre las cuales incide la luz del sol. El arco iris principal o común se produce por la refracción de la luz al atravesar las gotas de lluvia, produciendo cada una de ellas una reflexión interna total. El radio del circulo subtiende un ángulo cercano a 42º desde el ojo del observador y con el color rojo en la parte exterior.

Si la luz está sometida a dos reflexiones internas puede formarse exteriormente al primario un arco iris secundario, pero muy separado del mismo. Los colores se presentan invertidos y la intensidad alcanza solamente a un décimo de la del arco principal. A veces se observan arcos suplementarios en el interior del arco primario y que se producen por interferencias entre los rayos de luz.

Los espejismos se producen como un resultado del pasaje de la luz de capas de atmósfera de densidad diferente. El índice de refracción del aire varía con su densidad y a menudo los objetos pueden aparecer ubicados en posiciones inusuales y distorsionados en su forma. Se presenta una imagen inferior asociada a una superficie extensa y plana cuando el aire cerca del suelo está más caliente (y es menos denso) que el que está inmediatamente por encima. El efecto contrario – una imagen superior – se observa si el aire que se halla cerca de la superficie terrestre está mucho más frío que el que está por encima, estos es, que se está en presencia de una inversión muy marcada.

(Compendio de Meteorología, Meteorología Física, Retallack)