Al llarg de la història, l'ésser humà ha sentit una admiració profunda pel cel, no només durant les nits contemplatives que provoquen reflexions existencials, sinó també durant les hores del dia, quan presenta un vibrant espectre de colors. En algun moment de les nostres vides, tots ens hem preguntat per què el cel sembla blau o per què adquireix tons taronja i vermell durant el capvespre. Aquesta qüestió va ser resolta inicialment per Lord Rayleigh, també conegut com John William Strutt, un matemàtic que va fer aquest descobriment a finals del segle XIX.
En aquest article t'explicarem el efecte Rayleigh, les seves característiques i per què el cel és blau.
Efecte Rayleigh
El Sol emet una àmplia gamma de radiació electromagnètica, inclosa la llum visible, comunament coneguda com a llum blanca. Curiosament, la llum blanca és en realitat una combinació de tots els colors de l'arc de Sant Martí, sent el violeta la longitud d'ona més curta i el vermell la més llarga. A mesura que la llum del sol viatja a través de l'atmosfera, interactua amb diverses substàncies com ara gasos, partícules sòlides i molècules d'aigua. Quan aquestes partícules són més petites que una dècima de micròmetre, provoquen la dispersió de la llum blanca en totes direccions, amb més èmfasi en la llum blava.
Aquesta preferència per la llum blava pot ser explicada pel coeficient de dispersió, que es calcula mitjançant la fórmula 1/λ4, on λ representa la longitud d'ona. Atès que la llum violeta i blava tenen les longituds d'ona més curtes de l'espectre visible, produeixen el quocient més alt quan se substitueixen a la fórmula, cosa que condueix a una probabilitat més gran de dispersió. Aquest fenomen es coneix comunament com a dispersió de Rayleigh.
Com a resultat, els raigs dispersos es creuen amb les partícules de gas que funcionen com una superfície reflectant, cosa que fa que es desviïn una vegada més i amplifiquin la seva força.
Per què el cel és blau?
Tenint en compte la informació esmentada anteriorment, un podria esperar que el cel es vegi violeta en lloc de blau a causa de la longitud d'ona més curta. Tot i això, aquest no és el cas perquè l'ull humà no és molt sensible al color violeta. A més, la llum visible conté en realitat una proporció més gran de radiació de longitud d'ona blava que la violeta.
En els casos en què les partícules excedeixen la longitud d'ona en mida, no es produeix cap dispersió diferencial. En canvi, tots els components de la llum blanca estan igualment dispersos. Aquest fenomen explica l?aspecte blanc dels núvols, ja que les gotes d?aigua que les componen superen la dècima de micròmetre de diàmetre. Tot i això, quan aquestes gotes d'aigua es tornen densament compactes, la llum no pot travessar-les, cosa que dóna com a resultat una aparença grisenca associada amb una extensa cobertura de núvols.
Tot i això, cal reconèixer que el cel no manté una tonalitat blava constant. Com a resultat, el fenomen de la dispersió de Rayleigh no explica completament la presència de diversos tons de vermell durant el clarejar i el capvespre. No obstant, sí que hi ha una explicació per a aquest fet.
A mesura que el Sol es pon i entra a la fase crepuscular, la seva posició a l'horitzó fa que la llum recorri una distància més gran per arribar a nosaltres, deixant de ser perpendicular. Aquest canvi d'angle dóna com a resultat una incidència menor, provocant que la llum blava es dispersi abans d'arribar als nostres ulls. En canvi, dominen les longituds d'ona més llargues, que es manifesten com a tons vermellosos. És important assenyalar que la dispersió de Rayleigh continua passant, però en un lloc diferent dins de l'atmosfera on el Sol és al zenit.
Història
Al llarg de la història, el cel ha captivat la nostra atenció tant durant el dia com durant la nit. Ha servit de llenç perquè la nostra imaginació divagui. Naturalment, la curiositat i la investigació científica no han estat exemptes d'aquesta fascinació. Com passa amb altres fenòmens quotidians, com el canvi de color de les fulles o l'origen de les pluges, els investigadors han intentat descobrir els misteris del cel. En comptes de disminuir el seu atractiu místic, els seus descobriments només han aprofundit la nostra comprensió i admiració.
Durant els seus experiments amb infrarojos el 1869, Rayleigh va topar amb una troballa inesperada: la llum dispersada per partícules diminutes tenia un subtil tint blau. Això ho va portar a especular que una dispersió similar de la llum solar era responsable del color blau del cel. Tot i això, no va poder explicar completament per què es preferia la llum blava o per què el color del cel era tan intens, descartant la pols atmosfèrica com a única explicació.
L'innovador treball de Lord Rayleigh sobre el color i la polarització de la llum del cel es va publicar el 1871. El seu objectiu era mesurar l'efecte Tyndall a les gotes d'aigua quantificant la presència de petites partícules i els índexs de refracció. Basant-se en la prova anterior de James Clerk Maxwell sobre la naturalesa electromagnètica de la llum, Rayleigh va demostrar el 1881 que les seves equacions es derivaven de l'electromagnetisme. Ampliant les seves troballes el 1899, va ampliar l'aplicació a molècules individuals, reemplaçant els termes relacionats amb els volums de partícules i els índexs de refracció per termes de polaritzabilitat molecular.
Dispersió en materials porosos
Els materials porosos tenen la capacitat d'exhibir dispersió tipus Rayleigh, que segueix un patró de dispersió λ-4. Aquest fenomen és particularment evident en materials nanoporosos, on hi ha un contrast significatiu a l'índex de refracció entre els porus i les porcions sòlides d'alúmina sinteritzada. Com a resultat, la dispersió de la llum es torna increïblement intensa, provocant que canviï de direcció aproximadament cada cinc micròmetres.
Aquest comportament notable de dispersió s'atribueix a l'estructura nanoporosa única aconseguida mitjançant el procés de sinterització, que implica l'ús de pols d'alúmina monodispersiu per crear una distribució estreta de mides de porus, generalment al voltant de 70 nm.
Espero que amb aquesta informació pugueu conèixer més sobre l'efecte Rayleigh i les seves característiques.