Glorias en el monte

Imaginemos uno de esos fin de semanas en que nos entra el gusanillo aventurero, ya sea porque somos uno de tantos que están en el paro y nos aburrimos, acabamos de ver una película de Cocodrilo Dandee y nos ha picado el gusanillo o simplemente tenemos necesidad de tirar para el monte, como las cabras.

Además, supongamos que hemos descartado la idea que se nos habrá pasado por la cabeza de agarrar el cuchillo jamonero, vestirse de giri de safari y salir a cazar truchas al estilo Robinson Crusoe y su inseparable Wilson.
Por tanto, al final nos convencemos de algo menos arriesgado y nos vamos a hacer una ruta por la montaña, no sin antes de convencer a unos cuantos pobres inconscientes (véase nuestros amigos) o a otras compañías.
Total, que salimos por la mañana con todo el equipamiento habitual para echar el día en la montaña.

El problema surge cuando ya empieza a caer la tarde, momento que coincide con otra caída: el de los ánimos y las fuerzas del resto del grupo y que llevan bastante rato contando cada paso que dan. Pues en esos mismos instantes, uno tiene la «suerte» de levantar la vista y observar… esto:

Cielos rojos y atardeceres azules

Atardecer en Marte. Cortesía de la NASA.

Normalmente estamos acostumbrados a ver el cielo de color azul, y que tanto en el atardecer como en el amanecer, con el Sol rozando en horizonte, se torne de color rojizo, como ya explicamos hace un tiempo.

Sin embargo, esto no es ni mucho menos universal, ya que depende fuertemente de la atmósfera en la que estemos. Por ello, si nos vamos a Marte, donde siguen vagando los rovers transmitiéndonos más información de nuestro vecino planeta, obtenemos una visión completamente diferente.

Para empezar, en el desierto marciano notaremos que el Sol parece más pequeño, unas dos terceras partes de cómo lo vemos en la Tierra, debido a que Marte está más lejano del Sol.
A continuación, veremos cómo el cielo no presenta nuestro cotidiano color azul, sino que tiene una tonalidad rojiza, salmón quizá.

Aunque quizá el hecho que más llame la atención sea en el momento del atardecer, en donde veremos cómo el cielo alrededor del Sol se torna de un color azulado, ¡justo lo contrario a lo que pasa en la Tierra!.

Atardeceres azules

Como ya habíamos explicado en un post anterior, que veamos de un color determinado el cielo es debido a la dispersión que producen las partículas del aire, las cuales siempre van a dispersar más un color que otro, lo que hace que veamos el cielo del color que más se dispersa (digamos que al dispersarse más, le vemos desde todos los lados).
Por ello, la explicación de tener un color azulado durante el atardecer habrá que buscarlo en ellas: en las partículas que hay en la atmósfera.

¿Y qué hay de diferente en la atmósfera de Marte? fuera aparte de la distinta composición que tiene ésta, lo que más destaca para nuestro atardecer es que tiene partículas de polvo, de la arena marciana, las cuales son mucho mayores que las partículas (moléculas) del aire normal.
Esto hace que la dispersión producida por estas partículas sea claramente distinta a la producida por nuestra atmósfera. En concreto, debido al tamaño que tienen hace que ahora se disperse mucho más los colores rojos, por lo que el resto del cielo se teñirá de un color rojizo mientras que los colores azules predominan cerca del Sol (se dispersan menos).
Ahora en lugar de producirse una dispersión de Rayleight, se produce la llamada dispersión de Mie, que describe la dispersión producida por partículas «grandes» (del tamaño de la longitud de onda de la luz incidente).

También en la Tierra

Para Marte este es el caso habitual al observar el cielo, pero en varios lugares de la Tierra la situación no es tan diferente…
Por ejemplo en las zonas desérticas, nos encontramos con gran cantidad de arena, que casualmente de vez en cuando estará presente en la atmósfera debido a los vientos, con lo que podremos observar un fenómeno similar al de los atardeceres marcianos, pero en la Tierra:

Más información

«Sol azul y Luna azul», artículo de Francis Th(E)mule News.

Extenso artículo sobre fenómenos ópticos atmosféricos, entre los que se encuentra la dispersión de Mie por partículas de polvo como la que hemos comentado, en RAM (Revista de Aficionado a la Meteorología).

Ilusiones ópticas y efectos del ojo

Aunque son nuestros ojos los que captan lo que vemos, quizá la mayor parte de nuestra visión se debe a nuestro cerebro, el que interpreta lo que el ojo ve y en muchas ocasiones suele ir más allá logrando aportarnos una resolución o detalle superior al que el propio ojo puede ver.

Pese a que esto suele aportarnos varias ventajas, en muchas otras ocasiones produce «fallos» o malas interpretaciones de lo que vemos. Aquí traemos dos relacionadas con los colores que vemos en una imagen y que a pesar de lo que nos pueda parecer, lo que vemos como distinto es exactamente igual.

El primero de ellos es la imagen que podemos ver al comienzo de la entrada, creada por personal del MIT, donde podemos ver dos cuadros, el A y el B, de dos tonos distintos de gris… ¿distintos?.

En realidad el cuadrado A y el cuadrado B tienen exactamente el mismo color, algo que podemos ver si los unimos con una barra del mismo color, como podemos ver en este enlace,
Pero debido a que uno se encuentra en las casillas «claras» y el otro en las «oscuras», nuestro cerebro interpreta que el N tiene que ser más claro que el A, aunque se encuentre en la sombra del cilindro.

El segundo es el vídeo de arriba donde podemos ver cómo el rombo va cambiando de color a medida que lo movemos sobre la cartulina.
De forma similar al anterior, aquí se juega con los contrastes entre los bordes del rombo recortado y de los otros. Si nos damos cuenta de que todos los rombos son exactamente iguales, y que éstos tienen un gradiente que va desde un marrón más oscuro arriba a un marrón más claro debajo, podemos entender cómo por contraste nuestro ojo ve (realmente al ojo le llegaría el mismo color, pero es la interpretación que da nuestro cerebro el que varía esto) que los rombos de abajo son más claros que los de arriba, imagen que extiende a todo el rombo, por lo que no vemos que únicamente es el pico el que es más claro, sino que nos da la impresión de que es todo el rombo el que es más claro que el de arriba.

Visto en Fogonazos.

El espejo en la Luna (Apollo 11)

Después de hablar sobre la llegada del Apollo 11 a la Luna, toca describir uno de los instrumentos que dejaron en la Luna, el único que aún hoy está en funcionamiento, y del que siempre me ha intrigado su funcionamiento, aunque como resultó ser, se basa en algo muy simple.

A unos 30 metros del módulo de descenso del Apollo 11, se puede observar que hay un pequeño cacharro de aproximadamente medio metro de ancho: un panel que consta de 100 espejos que apunta a la Tierra.
Con esto, mandando un pulso láser con cualquier radiotelescopio terrestre, se puede calcular fácilmente la distancia de la Luna a nosotros con una gran precisión (del orden de centímetros).

Esto es posible midiendo el tiempo que tarda la onda en llegar a la Luna y volver, ya que como ésta viaja a una velocidad constante (la velocidad de la luz: 300.000 km/s), este tiempo nos dice automáticamente la distancia que ha recorrido, que será igual al doble de la distancia Tierra-Luna (ya que medimos la ida y la vuelta).

Ahora bien, para que todo esto funcione bien, se necesita que dicho espejo devuelva el rayo incidente exactamente por el mismo camino por el que ha llegado éste (así dicho rayo volverá a la Tierra).

Sin embargo, esto ya crea un problema a cualquiera que sepa un poco sobre cómo se refleja la luz (y básicamente cualquier objeto al chocar sobre una superficie dada), ya que si esta incide con un ángulo a sobre dicha superficie, saldrá con un ángulo a, pero siguiendo hacia delante (ver imagen de la derecha), lo que provocaría que dicho rayo no volvería a la Tierra sino que se perdería por el espacio.

Así que.. ¿cómo solucionar esto?

Una de las soluciones que podríamos pensar es en orientar perfectamente el espejo apuntando hacia la Tierra, lo cual provocaría que el rayo volviese exactamente por donde ha venido.
Sin embargo, esto no es posible ya que (olvidando que se ha colocado en la Luna, por astronautas con un gran traje que no les permite excesivos movimientos y no se podría conseguir alinear con esa precisión el panel) aunque la Luna siempre nos enseña la misma «cara», esto es, siempre vemos la misma mitad de ésta.

Aunque esto es cierto, lo es hasta cierto punto, ya que si bien «aproximadamente» vemos siempre la misma parte de la Luna, como consecuencia de varios movimientos que tiene esta (además de la rotación sobre su eje y la traslación en torno a la Tierra, están las libraciones como consecuencia de la excentricidad de la órbita de la Luna, que son movimientos análogos a un «cabeceo» de la Luna), causa que no veamos solo el 50% de la superficie lunar, sino que a veces vemos un poco más de algún costado y otras veces de otro… llegando a poder ver desde la Tierra casi el 60% de la superficie lunar (por supuesto no simultáneamente).

Esto hace que aunque apuntemos nuestro espejo muy bien hacia la Tierra, en unos días ya no estará apuntando hacia nosotros sino que se habrá desviado (debido a este «cabeceo» que presenta la Luna).

Ahora bien, hay una forma bastante simple que se les ocurrió a los miembros de la NASA sobre cómo hacer un espejo que refleje el rayo en la misma dirección en que le ha recibido. Y esta forma es poner prismas cúbicos (aquí, en vez de hacer uno, se construyó una red de 100 «espejos» para aumentar el rayo que se refleja), o también conocidos por retroreflectores.

Estos prismas trabajan de una forma análoga a lo que vemos en la imagen de la izquierda, donde vemos que al llegar un rayo con una inclinación dada (da igual la que sea, siempre que se mantenga dentro de un rango válido como para que el rayo realice un par de reflexiones en los espejos), éste se refleja en los dos lados del prisma, para terminar saliendo de éste con la misma dirección que la que traía inicialmente.
Así, conseguimos que dicho rayo retorne fácilmente a la Tierra y podamos medir el tiempo que ha tardado en regresar.

Conclusiones

De las medidas obtenidas durante estos años, se han podido obtener comprobaciones de la Teoría de la Relatividad (cualquier experimento que se propone se le suele aplicar para verificar dicha teoría), la constancia de la Constante de la Gravitación Universal introducida por Newton, o ver que la Luna se aleja de la Tierra a un ritmo de algo menos de 4 cm por año, lo cual es consecuencia de las fuerzas de marea que se ejercen mutuamente la Luna y la Tierra.
También de estas medidas se ha podido deducir que la Luna probablemente tiene un núcleo líquido que ocupa hasta un 20% de su radio.

El único problema que se esperaba de dichos espejos es que fueran cubriéndose de polvo lunar o que pudieran ser impactados por meteoritos que les destruyese. Sin embargo, ninguno de estos efectos han hecho que los espejos existentes (tanto por la misión Apollo 11 como por las posteriores misiones que también dejaron otros espejos en otros puntos de la Luna) dejen de estar operativos, por lo que parece que todavía seguirán siéndonos útiles durante mucho tiempo.

Por último, decir que aunque el proceso de medida parece fácil, tiene bastante más complicación ya que del pulso enviado, que cuenta con un gran número de fotones, solo unos pocos consiguen regresar a la Tierra, ya que una parte son absorbidos por la atmósfera terrestre, y otros se pierden en otras reflexiones sobre la Luna.

Para más información:

AstroSeti.

Imagen de los retroreflectores y de los diferentes paneles que hay colocados en la Luna. (en inglés)

Imagen en más detalle del panel que colocó, en esta ocasión, el Apollo 15 en la Wikipedia.

Artículo publicado en NewScientist. (en inglés)

Artículo que expone el núcleo líquido de la Luna. (en inglés)

El rayo verde y el cielo azul

Con este nombre (El rayo verde), que recuerda al de la novela de Jules Verne, hablamos sobre un efecto óptico que se puede ver en el Sol al atardecer (y al amanecer), y en el que se basa el argumento de la novela.

Por un lado, todos los días observamos que el cielo tiene un color azulado (algunas personas detallarán con una mayor precisión qué tono es… pero con esto nos vale), lo cual a veces puede entrar en confusión con el hecho de que el Sol luce con un color amarillento.. lo que (podemos pensar) provocaría que el cielo fuese amarillento también.
A esto se podría achacar la idea de que será debido al nitrógeno de la atmósfera (recordemos que ésta está compuesta por un 70% de dicho gas), pero esta no es la razón básica de este efecto.

ACTUALIZADO: Como bien apuntan en los comentarios, este efecto se debe principalmente a la dispersión que sufren las distintas longitudes de onda al «chocar» con los átomos de la atmósfera, conocido como dispersión de Rayleigh, la cual tiene la propiedad de que dispersa mucho más las longitudes de onda cortas (azules) que las largas (rojas). Así, un rayo de color azul será más dispersado que uno de color rojo después de atravesar una masa de aire.

Este fenómeno se puede entender de una forma simple viendo que los fotones al incidir sobre los diferentes átomos, interactúan con las nubes de electrones de éstos, lo que hace que cedan parte de su energía a dichos electrones, lo que hace que éstos se pongan a vibrar.

Sin embargo, éstos pronto vuelven al equilibrio, emitiendo de nuevo dicha energía mediante otro fotón.
Esta interacción se produce con mayor frecuencia con longitudes de onda cortas (azules), lo que hace que sean éstas las que se dispersan más, ya que los rayos que no interactúan con dichos átomos seguirán su camino inicial.

FIN ACTUALIZACIÓN

¿Y en qué se traduce esto?

Bueno, el Sol emite en todas las longitudes de onda visibles: desde el rojo al azul, aunque donde más emite es en el verde-amarillo. Así que esto provoca que los rayos azules emitidos por él se dispersen más que los rojos.

Por lo tanto, estos últimos los seguiremos viendo venir desde donde está el Sol (pues no varían mucho su trayectoria), pero los rayos azules se dispersan por toda la atmósfera… así que son éstos los que predominan cuando miramos en otras direcciones: esa es la principal causa de que veamos el cielo azul.

¿Y el rayo verde?

Una vez relatado lo anterior, vamos a otro momento especial: las puestas de Sol (también extendible a las salidas). Aquí, el Sol está en el horizonte, luego es el momento en que su luz debe atravesar una capa mayor de aire.

Y por lo que hemos visto, los colores azules se dispersan más que los rojos. Si mezclamos estas dos cosas, ya podemos comprender por qué solemos verle de un colo más rojo que cuando está a mayor altura: su luz se dispersa más.. luego ya solamente quedan los colores más rojos en el disco.

Además, justo en el momento en el que se oculta por el horizonte (aquí es indispensable tener un horizonte marino o totalmente llano), podemos ver (con mucha suerte) durante un instante un rayo de color verde.

Esto se debe a lo anterior también: los rayos rojos se dispersan menos, luego cuando éstos se ocultan por el horizonte, aún hay rayos verdes, que se han dispersado más, y por tanto que todavía no se han ocultado. Y en ausencia de los rojos, éstos se hacen visibles.

También hay posibilidad de ver algún rayo azul, pero este es aún más débil que el verde, por lo que prácticamente nunca es posible verle.

Referencias:

Rayo verde y azul en Wikipedia.

Rayo verde en la Imagen Astronómica del Día (APOD, 10 de noviembre de 2002) realizada por Pekka Parviainen.

Más información sobre el rayo verde.

Imperfecciones en superficies: interferómetro de Twyman

En muchas ocasiones se necesita garantizar que una superficie sea enormemente lisa, sin apenas imperfecciones. Esto, que es fácil de comprobar cuando no necesitamos garantizar que la superficie no tenga imperfecciones de más de algunas décimas de milímetro de altura, requiere de otros métodos cuando se necesita alcanzar precisiones del orden de la longitud de onda del visible (aprox. 10^-7 m, algo menos de una millonésima de metro).

Para estos casos, existe un montaje simple con el cual se puede conseguir dicha precisión fácilmente, echando mano del carácter ondulatorio de la luz.

De forma similar al interferómetro de Michelson – Morley, que utilizaron en su famoso experimento, se tiene una lámina que divide un haz de luz en dos, los cuales se reflejan en dos espejos planos y vuelven a juntarse a la salida. Al igual que pasaba con Michelson, en función de la diferencia de camino que hayan recorrido ambos rayos, se observará que ambos rayos dan una zona de luz u oscuridad.

La novedad viene debido a que si la luz incidente no viene de un punto sino de un haz paralelo (el cual se consigue poniendo una lente después de la fuente de luz), todos los rayos recorren la misma distancia luego en la pantalla observaríamos la misma intensidad de luz (o sombra).
Ahora, si sustituimos uno de los espejos por nuestra superficie, los rayos ya no recorren el mismo camino porque esta superficie no es totalmente plana, así que observaremos cómo se van produciendo «anillos» irregulares en la pantalla.

Así que observando la forma de estos anillos y contando cuántos se producen, podemos saber cómo es la (o las) imperfecciones que tiene nuestra superficie y qué altura tienen, de forma análoga a cómo en un mapa podemos ver el desnivel del terreno por las curvas de nivel. Eso sí, con esto no podemos estar seguros de si se trata de una «montaña» o de un «valle» en nuestra superficie.

Por ejemplo en la anterior imagen podemos ver cómo se tiene una pequeña imperfección en el centro de la superficie, lo cual crea que el patrón de luz no sea uniforme sino que se formen «anillos» (curvas de nivel) en función de la altura de las imperfecciones que tiene la superficie.

Plasmones

Bueno, esta entrada viene como consecuencia de una cierta conferencia a la que tuvimos que asistir donde se habló de las propiedades ópticas de estos objetos, a partir de la cual ha habido varias solicitudes para que los explicase un poco y finalmente pudiéramos comprender qué son…

Primero decir que la «plasmónica» es un tema que es actualmente puntera en la investigación (junto a la nanotecnología) y que puede dar varios avances en poco tiempo, por lo que es un tema bastante interesante.

¿Qué son los plasmones?

Para esta explicación, vamos a describir una ruta lenta, partiendo de cosas conocidas, que en principio no tienen nada que ver, e iremos avanzando poco a poco, de forma que no haya ningún salto «muy incomprensible».
Partiendo de un metal (por ejemplo una barra de hierro), se conoce que éstos se caracterizan por tener un número grande de electrones que se pueden mover a lo largo de todo el metal, sin estar «atrapados» a ningún átomo (de hierro en el ejemplo) en concreto. Estos electrones, llamados de conducción (porque se pueden conducir a lo largo de todo el metal), básicamente existen solo en los metales (también en los plasmas) y son los que provocan que éstos sean unos buenos conductores de la electricidad (recordemos que un electrón es una carga eléctrica, por lo que que se puedan mover «libremente» significa que transportan carga eléctrica de una forma bastante buena).

Ahora, y cambiando a otro tema, conocemos de la mecánica cuántica que todos los objetos son a la vez una onda y una parta (son dos descripciones equivalentes de cualquier objeto), por lo quícule un electrón, por ejemplo, tiene una onda asociada con una longitud del orden del armstrong (una 10 mil millonésima de metro).

Esto viene a cuenta de que, en el anterior metal, los electrones pueden comenzar a moverse por el metal de una forma análoga a las olas del mar (formando olas por el metal), por ejemplo cuando incide luz (fotones) sobre éste, que interacciona con éstos.
Estas olas por supuesto no son de agua ni nada similar, sino de «carga eléctrica» (la de los electrones).

En la comparación con un estanque, el fotón de luz sería la piedra, y que al incidir sobre el metal (agua) se crean ondas (en el caso del agua como perturbación de éste vertical: el agua sube y baja) longitudinales: en vez de subir y bajar, el movimiento de los electrones es de alante-atrás.

A estas ondas que se forman, se las llama plasmones (en concreto, superficiales, ya que se propagan por la superficie del metal).
Una de las peculiaridades que tienen es que no viajan una gran distancia, sino que duran bastante poco en su propagación por la superficie del metal.

Como contrapartida, existen otro tipo de plasmones, los localizados, que se producen cuando en vez de una superficie metálica, lo que tenemos son diminutas partículas metálicas (de escala nanométrica, es decir, la millonésima parte de un milímetro).
Si una luz, que tenga una frecuencia adecuada, incide sobre dichas partículas, se produce un plasmón en éstas, es decir, los electrones de esta partícula comienzan a vibrar con una frecuencia determinada, lo que produce una emisión en diferentes direcciones (scattering) de radiación con dicha frecuencia (luz de un color determinado).

Posibles aplicaciones prácticas

Ahora viene la clásica pregunta… ¿para qué puede servir todo esto?
Para empezar, como se puede entrever de la descripción anterior, juegan un papel fundamental para variar las propiedades ópticas utilizando metales.

Por ejemplo, utilizando partículas metálicas nanométricas se puede definir el color (qué luz refleja) de diferentes superficies u objetos. Esto es básicamente lo que se hacía para «teñir» los cristales de las catedrales antiguas, en los que se introducían pequeñas partículas metálicas que le daban el color al cristal.
Sin saberlo, ya se hacía nanotecnología en la Edad Media, ya que aquí, son precisamente estos plasmones los que causan que la vidriera tenga un color u otro.

A su vez, dado que son partículas tan pequeñas, y tienen una gran «sensibilidad» a su entorno, se están utilizando actualmente para poder ver con una gran resolución pequeños tejidos o células, sin más que colocar dicho plasmón en el lugar deseado de la célula, y después observarle con luz visible, con la ventaja de que al usar luz visible, se pueden observar células vivas, sin matarlas como ocurre al observarlas con rayos X u otra radiación más energética.

Por otro lado, los plasmones superficiales tienen otras aplicaciones como transmisores de información en futuros chips, ya que estas ondas viajan sobre la superficie del metal, lo que hace que si son guiadas adecuadamente, puedan ser utilizadas para conducir información de un lugar a otro.

Más información:

Wikipedia (en inglés)

Plasmones de superficie (en inglés)

Basque Research (en español)

Cómo crear un espectrómetro casero

Muchas veces hemos visto que la luz se puede descomponer con un prisma, como estudió Newton, y vemos los colores que la componen de forma separada, como ocurre en un arco iris.
Después, si nos fijamos, podemos ver este mismo efecto en varios objetos que tenemos en casa, como en un CD.

Aunque pueda parecer que este patrón (la banda contínua con colores desde el rojo hasta el azul) sea siempre el mismo en todos los sitios donde lo vemos, no es así.
Dependiendo del material que haya emitido esa luz, observaremos una cosa u otra.

Si es una bombilla de las de toda la vida, se observará un patrón continuo semejante al del arco iris, debido a que el filamento de la bombilla está incandescente. Pero sin embargo, si observamos la luz que emite un fluorescente, se observa que destacan unas ciertas líneas brillantes. Esto es debido tanto al material de que está compuesto como a su temperatura (ya hablaremos más detalladamente en una entrada futura).

Cómo construirlo

Lo único que necesitamos es: una caja de cerillas, un CD inservible (para no desperdiciar ninguno útil), unas tijeras y un pegamento.

• Cortamos un orificio cuadrado en la caja de cerillas, al igual que el que podemos ver en la imagen.
• Se recorta un trozo del CD, de forma que quepa dentro de la caja de cerillas, y le pegamos a ésta.
• Cerramos la caja dejando una pequeña rendija en el lado opuesto a donde está el agujero, que es por donde miramos.
• Apuntamos a algún foco de luz (un poco hacia abajo, ya que la luz debe entrar por la rendija, reflejarse en el CD, y salir por el agujero)

Y ya podemos divertirnos observando el espectro del foco de luz:

Otros modelos aquí.