¿POR QUÉ SE PRODUCE EL ARCO IRIS?

Antes de entrar en los conceptos físicos que explican la formación de este precioso efecto óptico, sería bueno conocer la procedencia de su nombre: Arco Iris.

El Arco Iris es un fenómeno óptico muy espectacular que une el cielo y la tierra cuando el sol ilumina una cortina de agua bajo una serie de condiciones. En ese momento se produce los fenómenos de refracción y reflexión de los rayos solares en las gotas de agua y muestran los colores del espectro de la luz blanca de forma ordenada. La mitología griega personificó esa unión Cielo-Tierra que realiza el Arco Iris por medio de una joven diosa alada y veloz, llamada Iris, hija de los dioses Taumante y Electra. La etimología del nombre de esta diosa deriva del verbo eire, anunciar, al ser considerada como la mensajera de los dioses, en la mayoría de los casos al servicio de Zeus, y muy particularmente bajo las órdenes de Hera, aunque en ocasiones pudiera servir de intermediaria para transmitir mensajes a los seres humanos de otros dioses o héroes.

Es importante destacar que este fenómeno óptico recibe otros nombres en España como Arco de la Vieja (islas Canarias), Arco de San Juan (zona de Aragón), Arc de San Martí (Cataluña e islas Baleares) o Arco del Señor (en amplias zonas de Castilla-La Mancha).

En una antigua danza celta, llamada Danza de la Espada, los bailarines terminaban con estas palabras:

"¡Qué el arco iris brille en tu frente!

¡Qué el arco iris brille!"

La formación de un Arcos Iris es un ejemplo muy familiar para todo el mundo de lo que se conoce como Dispersión de la Luz por Refracción en las gotas de agua de la lluvia. La figura inferior es un diagrama explicativo de René Descartes (1596 - 1650) de este fenómeno en su libro Discurso del Método (1637). En él se muestran los rayos solares paralelos que entran en una gota de agua esférica. En primer lugar, los rayos de luz se refractan al entrar en la gota. Luego se reflejan en la superficie posterior agua-aire, y finalmente, se refractan de nuevo cuando el rayo de luz sale de la gota de agua.

Como se muestra en la figura, el ángulo que forman los rayos emergentes y el rayo horizontal (rayo 1) alcanza su máximo valor sobre el rayo 7 y después empieza a decrecer. En el diagrama  puede observarse un grupo de rayos concentrados que emergen con un ángulo muy próximo al máximo. Es esta concentración de rayos, próximos al ángulo máximo, los responsables de la formación del Arco Iris. Empleando la Ley de la Refracción, René Descartes demostró que este ángulo máximo tiene un valor próximo a 42 grados. Esto significa que si queremos observar un Arco Iris debemos:

1. Situarnos entre el Sol y las gotas de agua.
2. Mirar las gotas de agua con un ángulo de 42 grados respecto de la línea que une el Sol con las gotas.

¿Y la separación de colores en el Arco Iris?... Se debe a que el índice de refracción del agua depende ligeramente de la longitud de onda de la luz. Por tanto, el radio angular del arco también dependerá, pues, ligeramente de la longitud de onda de la luz. El Arco Iris formado está constituido por los rayos de luz procedentes de múltiples gotas de agua, como se observa en la figura:

El color que se observa en cada radio angular corresponde a la longitud de onda de la luz que permita alcanzar el ojo humano viniendo desde las gotas con ese radio angular. Como el índice de refracción del agua es menor para la luz roja que para la luz azul, la parte roja del Arco Iris está situada con un radio angular ligeramente mayor que la parte azul del mismo, por ello el color rojo se encuentra en la parte superior del Arco Iris.

El resultado de todos estos procesos físicos son las hermosas imágenes que todos conocemos...

Arco Iris en Órgiva, febrero de 2015

Hay que tener en cuenta que cuando un rayo de luz incide sobre una superficie que separa el agua y el aire, parte de la luz se refleja y parte se refracta. Esto se traduce en la aparición de un Arco Iris Secundario a partir de los rayos de luz que se reflejan dos veces dentro de la gota de agua como se observa en la figura.

El Arco Iris Secundario  tiene un radio angular de 51 grados y su secuencia de colores es la inversa de la que tiene el Arco Iris Primario, es decir, el color violeta se encuentra en la parte exterior. Como la fracción de luz reflejada en la superficie agua-aire es pequeña, el Arco Iris Secundario es más tenue que el Arco Iris Primario.

En el siguiente vídeo se puede ver la forma de producir un arco iris de manera simple y rápida.

¿POR QUÉ EL CIELO ES AZUL?

El color azul del cielo está relacionado con dos elementos: la composición de la luz solar y la humedad de la atmósfera. Si dejamos pasar un rayo de sol por un prisma de vidrio la luz se abre en un abanico de colores (fenómeno denominado Dispersión) por Refracción. Como resultado de esta Dispersión se observa la gama de colores conocida en el Arco Iris: violeta, azul, verde, amarillo y rojo. El color violeta es el que se separa más de la dirección del rayo incidente blanco y el color rojo el que menos. La desviación es máxima para los rayos de longitud de onda corta (violeta y azul), y mínima para los de longitud de onda larga (amarillos y rojos), que prácticamente no son desviados. Los rayos violetas y azules, una vez desviados, chocan con otras partículas suspendidas en el aire y nuevamente varían su trayectoria, y así sucesivamente. Es decir, la radiación azul y violeta realiza un movimiento en zigzag a lo largo de la atmósfera antes de alcanzar la superficie terrestre. Cuando esta radiación violeta y azul llega a nuestros ojos ya no parece venir directamente de su fuente, el Sol, sino que llegan de todas las regiones del cielo. Esa es la razón por la que el cielo nos parece azul. Pero, ¿por qué el Sol aparece de color amarillo?... Como se ha indicado, la radiación amarilla y roja sufre una desviación muy baja y llegan, prácticamente, en línea recta desde el Sol hasta nuestros ojos.

Una explicación más profunda, pero que alcanza la misma conclusión, requiere basarse en la interacción entre la radiación electromagnética y la materia en forma de átomos. Por un lado, la luz es una onda electromagnética y por otro, la atmósfera está llena de partículas que poseen tienen un tamaño igual o inferior al de la longitud de onda de la luz incidente (como por ejemplo, átomos aislados o pequeñas moléculas). En la interacción entre la luz y la materia, la onda luminosa cede parte de su energía a la corteza atómica de la partícula que comienza a oscilar. Es decir, la radiación luminosa incidente se debilita al ceder parte de su energía. Esta energía no se queda almacenada en la atmósfera, pues cualquier átomo o partícula pequeña cuya corteza se agita, y se acaba radiando en forma de onda electromagnética al entorno en cualquier dirección. Este proceso de cesión y remisión de energía por partículas de tamaño atómico se denomina Difusión de RAYLEIGH (en honor al físico británico y premio Nobel John William Strutt (1842-1919), tercer barón de Rayleigh). En su estudio, Lord Rayleigh determinó que la intensidad (I) de la luz dispersada por una pequeña partícula en un haz de luz de longitud de onda (λ) e intensidad (Io) viene dada por:

Dónde R es la distancia a la partícula, θ es el ángulo de dispersión, n es el índice de refracción de la partícula y d es el diámetro de la partícula.

Como consecuencia de esta ecuación, llegamos a la misma conclusión. La radiación violeta (con menor longitud de onda) es la más difundida y la menos, será la radiación roja (por su mayor longitud de onda). El resultado es que la luz que nos llega desde el Sol en línea recta, al alcanzar la atmósfera se difunde en todas direcciones y “llena” toda la atmósfera con la tonalidad azulada.

Pero entonces, el color del cielo debería ser violeta por ser esta longitud de onda la más corta de todas. No lo es por dos razones:

1.       La luz solar contiene más radiación azul que violeta.

2.       El ojo humano es más sensible a la luz azul que a la violeta.

Esta última idea nos lleva a otro punto interesante. El color del cielo debe de depender del ojo que mira. En función de las características fisiológicas del ojo de las distintas especies para captar mayor o menor franja de radiación solar, el color del cielo se modificará.

Resumiendo: El color azul del cielo se debe a la mayor difusión en la atmósfera de las ondas cortas de la radiación luminosa. El color del sol es amarillo-rojizo y no blanco, porque si a la luz blanca procedente del Sol se le elimina el color azul-violeta, se obtiene una luz de color amarillo-roja.

En los siguientes vídeos mostramos experimentalmente como la dispersión de la luz (azul) hace que la transmitida sea amarilla-roja. Es lo que se conoce comúnmente como Puesta de Sol Química y se basa en el conocido Efecto Tyndall. El primero de los vídeo muestra el efecto con distintas concentraciones de ácido clorhídrico. El segundo, da una explicación sobre el proceso experimental y su justificación.

LUZ ULTRAVIOLETA Y CREMAS SOLARES (Parte 4)

Natalie sujetando las muestras sobre los sensores UV- A y B

Pero en una investigación no todo siempre es positivo. En muchas ocasiones no se obtienen respuestas clarificadoras, o incluso, con sentido. Este es el caso de la última de las experiencias que trató de dar respuesta a esta cuestión:

¿CÓMO AFECTA EL AGUA DEL MAR AL EFECTO PROTECTOR DE LAS CREMAS?

A partir de una disolución de agua salada (35g/L) se sumergen placas petri con distintas muestras de crema, todas ellas de FPS 50+, simulando un baño de 2 minutos.

Altitud: 1244 m

Temperatura:

Hora	Temperatura
9:10	11,5 oC
11:45	16,3 oC
14:00	18,9 oC

Los resultados obtenidos en esta experiencia no tienen mucho sentido y no permiten obtener conclusiones significativas. Entre los datos sin sentido obtenidos, podemos destacar:

1. La radiación UV-B recibida en la medida 1 es mayor con la placa petri o con cualquier crema solar que en la medición directa al Sol (datos a las 9:10 horas). Es el único grupo en obtener un resultado de este tipo.

2. Los datos obtenidos en la medición 2 (11:45 horas) muestran un ligera pérdida de actividad de la crema pero la medición 3 (14:00 horas) no muestran ningún cambio significativo con respecto a los datos tomados en las otras experiencias sin el efecto del agua.

Buscando errores procedimentales  solo encontramos que no se agitaron las cremas antes de colocarlas en la placa petri. Sin embargo, este hecho no puede dar respuesta a los resultados. Por otro lado, los sensores en ningún momento se mojaron ya que nos aseguramos de que estaban secos, y además, se realizaron medidas posteriores con sentido. A continuación, mostramos los resultados de la medición 1 por considerarlos los más extraños de todos: La radiación UV-B es mayor con barreras físicas que directamente desde el Sol.

MEDIO	UV-A (mW/m2)	UV-B (mW/m2)
Sol	4544,56738728	90,0291852253
Placa petri (blanco)	2770,54711319	199,011103932
Avene	137,622628561	379,888290777
Eucerin	1113,37153737	225,03784924
Cumlaude	2399,26441472	264,392662979
ISDIN	761,268466856	188,200222108

En el Año Internacional de la Luz y de las Tecnologías basadas en la Luz, estas cuatro entradas tituladas LUZ ULTRAVIOLETA Y CREMAS SOLARES muestran nuestro primer trabajo con sensores en la metodología conocida como EXAO. De nuevo, dar las gracias al Parque de la Ciencias de Granada, y en especial a Juan de Dios Jiménez Valladares, Carlos Sampedro Villasán y Guadalupe de la Rubia Sánchez por ofrecernos esta oportunidad.

LUZ ULTRAVIOLETA Y CREMAS SOLARES (Parte 3)

Natalie, Yanet y Raimundo realizando medidas con los sensores

En el estudio sobre luz ultravioleta y cremas solares, otra de las preguntas que nos planteamos fue:

¿CÓMO AFECTA EL PASO DEL TIEMPO AL EFECTO DE LAS CREMAS?

Con esta experiencia se busca clarificar el concepto de Factor de Protección Solar y ver, como se planteó en la experiencia anterior, que está relacionado con el tiempo de protección y no con la capacidad de protección. Se han utilizado distintas cremas de FPS 50+ aplicándolas a diferentes horas. En la última aplicación de crema se realizaron las medidas.

Altitud: 1244 m

Temperatura:

Hora	Temperatura
8:45 *	11,4 oC
11:15 *	16,3 oC
14:15	18,9 oC

* En estas dos medidas no se realiza medida con los sensores UV-A y B. Únicamente se aplica la crema y se deja expuesta al Sol

Los resultados obtenidos se muestran en la tabla y gráfica siguientes.

MEDIO	UV-A (mW/m2)	UV-B (mW(m2)
Sol	10137,7457409	267,382842273
Placa petri (blanco)	8065,11420273	175,192543588
Avene 1	64,9291992188	12,5730263315
Avene2	173,775054187	12,8835464105
Avene 3	64,9291992188	12,2177124023
Eucerin1	386,004675888	12,0787755454
Eucerin2	64,9291992188	12,1835476015
Eucerin3	64,9291992188	14,2960711223
Cumlaude1	64,9291992188	12,3186883694
Cumlaude2	64,9291992188	14,3625026796
Cumlaude3	64,9291992188	12,2059445265
ISDIN1	109,02914652	13,4730790301
ISDIN2	65,1784757288	12,1349576624
ISDIN3	119,843348061	12,1930378239

Marca 1: colocada a las 8:45 horas

Marca 2: colocada a las 11:15 horas

Marca 3: colocada a las 14:15 horas

Conclusiones obtenidas:

1. El efecto pantalla de la propia placa petri es importante. Se parece más a la segunda experiencia y no es tan marcado como se observa en el primer experimento. ¿Error de procedimiento? Las placas petri son de la misma marca en todos los casos, ¿diferencias entre unas y otras?

2. El efecto de apantallamiento de las cremas solares frente a la radiación ultravioleta es evidente. Las cremas solares funcionan.

3. Sobre su acción protectora a lo largo del tiempo no se pueden extraer conclusiones definitivas porque los resultados son muy variados:

§  Avent: la toma 1 y 3 tiene el mismo resultado y la toma 2 mayor.

§  Eucerín: la toma 1 tiene el mayor resultado pero la toma 2 y 3 3l mismo.

§  Cumlaude: las tres tomas tiene el mismo valor.

§  ISDIN: el menor resultado es de la toma 2, luego la toma 1 y el valor más alto es el de la toma 3.

     4. Pensamos que el error está en haber utilizado un material que no es capaz de absorber la crema (como hace la piel). La crema depositada en las tomas 1 y 2 se va secando con la exposición al Sol y pierde fundamentalmente agua. Lo que queda es una masa más o menos uniforme que en algunos casos ya no cubría completamente la placa.

     5. Por otro lado, para un FPS 50+ el tiempo de protección debería ser de 8 horas y nuestra experiencia duró 6,5 horas. Por lo tanto, si no tenemos en cuenta el posible error con la placa petri, los valores no debería haber oscilado tanto. Deberían parecerse al resultado obtenido con la crema Cumlaude . Sí se observa una modificación importante en la crema Eucerín. La protección de la crema a las 8:45 horas ha disminuido casi 6 veces con respecto a las otras dos tomas. En las otras dos marcas, Avene e ISDIN, los resultados no tienen sentido.