Óptica Atmosférica: Halos místicos, arcoíris y esplendores. Aprende sobre los fenómenos atmosféricos que crean impresionantes efectos visuales en el cielo.
Óptica Atmosférica: Halos Místicos, Arcoíris y Esplendores
La óptica atmosférica es una rama fascinante de la física que se ocupa de cómo la luz se comporta cuando interactúa con los diferentes componentes de la atmósfera terrestre. Entre los fenómenos ópticos más impresionantes que podemos observar están los halos, los arcoíris y varias otras manifestaciones de esplendor visual. A través de estas maravillas naturales, se revelan principios fundamentales de la física como la reflexión, refracción y dispersión de la luz.
Halos Místicos
Los halos son anillos de luz que se forman alrededor del Sol o la Luna cuando la luz es refractada por cristales de hielo flotando en la atmósfera. Estos cristales de hielo, generalmente en forma de prismas hexagonales, están presentes en nubes cirros altas y frías. Un halo común es el halo de 22°, así llamado porque el radio del círculo de luz es de aproximadamente 22 grados.
Teoría y Formulación
El principio detrás de los halos es la refracción, que es el cambio de dirección de un rayo de luz al pasar de un medio a otro con un índice de refracción diferente. En este caso, la luz pasa del aire a través de los cristales de hielo en las nubes. La fórmula básica que describe la refracción es la ley de Snell, dada por:
n_1 \sin(\theta_1) = n_2 \sin(\theta_2)
donde:
Los cristales de hielo tienen orientaciones aleatorias, lo que permite que la luz se disperse y forme un anillo. Debido a la estructura hexagonal de los cristales, cuando la luz entra y sale en ciertos ángulos específicos, se generan halos de 22°.
Arcoíris
Los arcoíris son quizás los fenómenos ópticos atmosféricos más conocidos y apreciados. Ocurren cuando la luz del Sol se dispersa en gotas de agua en la atmósfera. Un arcoíris primario se forma con un ángulo de aproximadamente 42 grados con respecto al ángulo opuesto al Sol. A veces, también es posible observar un arcoíris secundario, que es más débil y aparece a unos 50-53 grados.
Teoría y Formulación
El proceso de formación de un arcoíris involucra tres eventos principales de la luz: reflexión, refracción y dispersión.
El cálculo del ángulo de un arcoíris se basa en la ley de Snell y en la dependencia del índice de refracción del agua respecto a la longitud de onda (dispersión). La longitud de onda de la luz roja es menos refractada que la luz violeta, lo cual es responsable de la separación de colores.
El ángulo del arco primario se puede aproximar usando la siguiente fórmula derivada de las leyes de reflexión y refracción:
\theta = 2 \times \arcsin\left(\frac{n_{agua}}{n_{aire}} \times \sin\left(42^\circ\right)\right)
donde n_{agua} y n_{aire} son los índices de refracción del agua y el aire, respectivamente.
Esplendores
Además de halos y arcoíris, hay una variedad de otros fenómenos ópticos atmosféricos conocidos colectivamente como “esplendores”. Esto incluye fenómenos como las coronas, glorias y pilares de luz.
Corona
Las coronas son anillos de colores que aparecen alrededor del Sol o la Luna cuando la luz se difracta al pasar por pequeñas gotas de agua o cristales de hielo.
Gloria
Las glorias son series de anillos de colores que se forman alrededor de la sombra del observador, por lo general vista desde un avión o una montaña. Este fenómeno es causado por la difusión y difracción múltiple en gotas de agua.
La formulación de estos fenómenos ópticos se relaciona con la teoría de Mie, que describe cómo las partículas pequeñas afectan la propagación de la luz.