Una de las primeras preguntas que suele hacer un niño curioso sobre el mundo natural es «¿por qué el cielo es azul?» Sin embargo, a pesar de lo extendida que está esta pregunta, hay muchos conceptos erróneos y respuestas incorrectas que se barajan -porque refleja el océano; porque el oxígeno es un gas de color azul; porque la luz del sol tiene un tinte azul-, mientras que la respuesta correcta suele pasarse por alto por completo. En realidad, la razón por la que el cielo es azul se debe a tres simples factores combinados: que la luz del sol se compone de luz de muchas longitudes de onda diferentes, que la atmósfera de la Tierra está formada por moléculas que dispersan la luz de distintas longitudes de onda en cantidades diferentes, y la sensibilidad de nuestros ojos. Si se juntan estas tres cosas, el cielo azul es inevitable. Así es como todo se une.

La luz del Sol está formada por todos los colores de la luz… ¡y más! La fotosfera de nuestro Sol está tan caliente, a casi 6.000 K, que emite un amplio espectro de luz, desde el ultravioleta en las energías más altas y en el visible, desde el violeta hasta el rojo, y luego en lo más profundo de la porción infrarroja del espectro. La luz de mayor energía es también la de menor longitud de onda (y alta frecuencia), mientras que la luz de menor energía tiene mayor longitud de onda (y baja frecuencia) que sus homólogas de alta energía. Cuando ves que un prisma divide la luz solar en sus componentes individuales, la razón por la que la luz se divide en absoluto es por el hecho de que la luz más roja tiene una longitud de onda más larga que la luz más azul.

El hecho de que la luz de diferentes longitudes de onda responda de manera diferente a las interacciones con la materia resulta ser extremadamente importante y útil en nuestra vida diaria. Los grandes agujeros de tu microondas permiten la entrada y salida de la luz visible de corta longitud de onda, pero mantienen la luz de microondas de mayor longitud de onda, reflejándola. Los finos revestimientos de las gafas de sol reflejan la luz ultravioleta, violeta y azul, pero dejan pasar los verdes, amarillos, naranjas y rojos de mayor longitud de onda. Y las diminutas partículas invisibles que componen nuestra atmósfera -moléculas como el nitrógeno, el oxígeno, el agua, el dióxido de carbono, así como los átomos de argón- dispersan la luz de todas las longitudes de onda, pero dispersan la luz de menor longitud de onda de forma mucho más eficiente.

Debido a que estas moléculas son todas mucho más pequeñas que la propia longitud de onda de la luz, cuanto más corta es la longitud de onda de la luz, mejor se dispersa. De hecho, cuantitativamente, obedece a una ley conocida como dispersión de Rayleigh, que nos enseña que la luz violeta en el límite de la longitud de onda corta de la visión humana se dispersa con una frecuencia nueve veces mayor que la luz roja en el límite de la longitud de onda larga. (La intensidad de la dispersión es inversamente proporcional a la longitud de onda a la cuarta potencia: I ∝ λ-4). Aunque la luz del sol cae por todas partes en el lado diurno de la atmósfera terrestre, las longitudes de onda más rojas de la luz sólo tienen un 11% de probabilidades de dispersarse, y por tanto de llegar a los ojos, como la luz violeta.

Cuando el Sol está alto en el cielo, esta es la razón por la que todo el cielo es azul. Parece un azul más brillante cuanto más lejos del Sol se mire, porque hay más atmósfera que ver (y por tanto más luz azul) en esas direcciones. En cualquier dirección a la que mires, puedes ver la luz dispersa procedente de la luz solar que incide en toda la atmósfera entre tus ojos y donde comienza el espacio exterior. Esto tiene algunas consecuencias interesantes para el color del cielo, dependiendo de dónde esté el Sol y hacia dónde se mire.

Si el Sol está por debajo del horizonte, toda la luz tiene que viajar a través de grandes cantidades de atmósfera. La luz más azul se dispersa en todas las direcciones, mientras que la luz más roja tiene muchas menos probabilidades de dispersarse, lo que significa que llega a tus ojos. Si alguna vez estás en un avión después de la puesta de sol o antes del amanecer, puedes obtener una vista espectacular de este efecto.

Es una vista aún mejor desde el espacio, por las descripciones y también por las imágenes que han devuelto los astronautas.

Durante la salida/puesta del Sol o la salida/puesta de la Luna, la luz procedente del Sol (o de la Luna) tiene que atravesar enormes cantidades de atmósfera; cuanto más cerca del horizonte está, más atmósfera debe atravesar la luz. Mientras que la luz azul se dispersa en todas las direcciones, la luz roja se dispersa con mucha menos eficacia. Esto significa que tanto la luz del propio disco del Sol (o de la Luna) adquiere un color rojizo, pero también la luz de las proximidades del Sol y de la Luna -la luz que choca con la atmósfera y se dispersa una sola vez antes de llegar a nuestros ojos- se enrojece preferentemente en ese momento.

Y durante un eclipse solar total, cuando la sombra de la Luna cae sobre ti e impide que la luz solar directa incida en grandes secciones de la atmósfera cerca de ti, el horizonte se vuelve rojo, pero en ningún otro lugar. La luz que incide en la atmósfera fuera de la trayectoria de la totalidad se dispersa en todas las direcciones, por lo que el cielo sigue siendo visiblemente azul en la mayoría de los lugares. Pero cerca del horizonte, esa luz que se dispersa en todas las direcciones es muy probable que vuelva a dispersarse antes de llegar a los ojos. La luz roja es la longitud de onda más probable que pase, superando eventualmente a la luz azul que se dispersa más eficazmente.

Así que con todo lo dicho, probablemente tengas una pregunta más: si la luz de menor longitud de onda se dispersa más eficientemente, ¿por qué el cielo no aparece violeta? Efectivamente, hay una mayor cantidad de luz violeta procedente de la atmósfera que de luz azul, pero también hay una mezcla de los otros colores. Como los ojos tienen tres tipos de conos (para detectar el color) en ellos, junto con los bastones monocromáticos, son las señales de los cuatro las que deben ser interpretadas por el cerebro a la hora de asignar un color.

Cada tipo de cono, más los bastones, son sensibles a la luz de diferentes longitudes de onda, pero todos ellos son estimulados en cierta medida por el cielo. Nuestros ojos responden más fuertemente a las longitudes de onda azul, cian y verde que al violeta. Aunque haya más luz violeta, no es suficiente para superar la fuerte señal azul que emite nuestro cerebro.