Por qué el cielo es azul y las puestas de sol son rojas

Mira hacia arriba en una tarde despejada

La luz del sol es blanca y el aire que atraviesa es transparente. Entonces, ¿de dónde sale el cielo azul, y por qué el mismo sol se ve naranja media hora antes de ponerse? Los dos colores vienen de un solo efecto. Las moléculas del aire desvían un poco de la luz solar de su camino, y lo hacen mucho más con las longitudes de onda cortas que con las largas.

El modelo de arriba es un campo bajo un cielo calculado, píxel a píxel, a partir de ese efecto. Puedes bajar el sol hasta el horizonte, espesar la bruma, poner una capa volcánica en la estratosfera, subir tu ojo a la altura de crucero de un avión o a una órbita, y cambiar el planeta por Marte, la Luna, Urano o Neptuno. El panel de la izquierda da los números de cada imagen, y la barra de abajo prepara 23 condiciones reales con un toque.

Por qué el aire dispersa más el azul que el rojo

Una molécula de nitrógeno o de oxígeno es unas mil veces más pequeña que la longitud de onda de la luz visible. Cuando pasa una onda de luz, empuja los electrones de la molécula adelante y atrás, y esos electrones que oscilan emiten luz propia en casi todas las direcciones. Es la dispersión de Rayleigh, y su intensidad varía como uno entre la longitud de onda a la cuarta potencia.

Esa cuarta potencia es lo que hace tan desigual el reparto. La luz azul de 440 nm tiene una longitud de onda 0,65 veces la de la luz roja de 680 nm, y 0,65⁴ es aproximadamente 0,18, así que el azul se dispersa unas 5,7 veces más. Con el índice de refracción medido del aire, que también es un poco mayor para el azul, el modelo obtiene 5,9. En todo el rango visible, de 400 a 700 nm, la proporción llega casi a 10.

En cifras, una columna vertical de aire limpio dispersa alrededor del 19 % de la luz de 450 nm que entra en ella, y menos del 5 % de la de 650 nm. Ese azul que falta no desaparece. Se reparte por toda la bóveda del cielo, y es la luz que ves cuando miras lejos del sol.

Activa Sensibilidad del ojo y el gráfico del panel muestra dos curvas juntas: el espectro de la luz que llega al centro de tu vista (que sube hacia el extremo violeta) y la sensibilidad del propio ojo (una joroba centrada en el verde).

Por qué el cielo es azul y no violeta

Si las longitudes de onda cortas son las que más se dispersan, el cielo debería ser violeta. De hecho, el espectro que calcula el modelo para el cielo sobre tu cabeza tiene su máximo en el extremo violeta del visible, cerca de 380 nm. Tres cosas impiden que veamos violeta.

Primero, la luz del sol ya trae menos violeta que azul, y parte del ultravioleta y del violeta se absorbe en las capas altas. Segundo, el ojo es muy poco sensible al violeta: a 400 nm su sensibilidad es alrededor del 0,1 % de su máximo a 555 nm, frente al 3 % a 450 nm. Ponderado por el ojo, el espectro del cielo tiene su máximo cerca de 540 nm. Tercero, el color no se lee en el máximo. Cada uno de los tres tipos de cono responde a una banda ancha, y la mezcla que produce la luz del cielo queda más cerca de un azul pálido. El modelo convierte el espectro calculado en color de la misma manera, y la longitud de onda dominante sale en 478 nm, un azul celeste.

Así que el color del cielo es una mezcla con un fuerte exceso de azul, no una sola longitud de onda. Por eso tampoco es nunca tan saturado como un láser o un arcoíris.

Un sol bajo atraviesa mucho más aire

La otra mitad de la historia es geometría. Con el sol en lo alto, su luz cruza un espesor de atmósfera, que puedes imaginar como una capa de aire de 8 km con la densidad del nivel del mar. Con el sol más bajo, el camino inclinado es más largo. La razón entre los dos se llama masa de aire.

La regla de «1 entre el seno de la altura» funciona bien hasta unos 10°, pero luego falla mucho porque la Tierra es redonda: daría infinito en el horizonte. El modelo sigue en cambio la capa curva y obtiene 35 en el horizonte. La fórmula de Kasten y Young, muy usada y ajustada a la refracción real, da 38.

De dónde salen el rojo y el naranja

Cada masa de aire dispersa la misma fracción de cada color, así que las pérdidas se multiplican. Con aire limpio y un poco de bruma, esto es lo que queda de la luz solar directa en dos longitudes de onda:

A 5°, el rojo es siete veces más intenso que el azul, en relación con lo que salió del sol. El disco se vuelve naranja, luego rojo, y mucho más tenue, y por eso a veces puedes mirar un sol poniente que a mediodía te haría daño en los ojos. Pulsa Reproducir y el sol baja unos 2° por segundo, mientras la línea blanca del gráfico se hunde por el extremo azul.

Las nubes y el cielo cerca del sol toman el mismo color porque los ilumina la misma luz enrojecida. Las nubes altas siguen iluminadas más tiempo después de la puesta, y por eso brillan cuando el suelo ya está en sombra.

Después de la puesta: la sombra, el cinturón y la hora azul

Cuando el sol se haya puesto, date la vuelta y mira el horizonte opuesto. A lo largo de él hay una franja gris azulada: la sombra de la propia Tierra, proyectada sobre el aire. Encima hay una franja rosada, el cinturón de Venus, donde el aire está lo bastante alto para recibir todavía la luz roja del sol que para ti ya se ha puesto. Mientras el sol sigue bajando, la sombra sube y el cinturón se apaga.

Podrías esperar que el cielo se volviera gris al avanzar el crepúsculo, porque la luz que ilumina el aire alto ha cruzado tanta atmósfera baja que es muy roja. En cambio se vuelve de un azul profundo. La razón es el ozono. Su banda de Chappuis absorbe luz naranja y amarilla en torno a 600 nm, poco en vertical (el modelo da una profundidad óptica de 0,04), pero mucho a lo largo del camino muy largo y casi horizontal que sigue la luz del crepúsculo por la capa de ozono. Elige Hora azul para ver el sol 6° bajo el horizonte.

Qué cambian la bruma, el polvo y el humo

Las partículas mucho mayores que las moléculas se comportan de otra forma. Gotitas, polvo y humo miden desde una décima de micrómetro hasta varios micrómetros, cerca de la longitud de onda de la luz o más. Dispersan todos los colores de forma más pareja y envían la mayor parte de su luz hacia delante, a pocos grados del sol. Esa dispersión hacia delante es el resplandor blanco que rodea al sol en un día brumoso.

El modelo describe la bruma con dos números. Bruma y polvo fino es la profundidad óptica de aerosoles a 550 nm, la magnitud que miden los fotómetros solares de la red AERONET. El aire limpio del campo está por debajo de 0,1; un día contaminado en una gran ciudad puede pasar de 1. Tamaño de partícula es el exponente de Ångström: alrededor de 2 para el humo fino, que todavía favorece un poco el azul, y cerca de 0 para el polvo grueso del desierto, que dispersa todos los colores por igual.

Más bruma tiene dos efectos visibles. Las colinas lejanas se pierden en un gris azulado, porque el aire que hay entre tú y ellas añade su propia luz: los pintores lo llaman perspectiva aérea. Y la puesta de sol se vuelve más apagada, no más roja, porque con una profundidad óptica de 0,8 y el sol a 5° casi no llega nada de ningún color. Las puestas más rojas vienen de aire limpio con una bruma fina, no de una contaminación intensa.

El humo es la excepción que confirma la regla. En septiembre de 2020 el humo de los incendios de la costa oeste de Estados Unidos era tan denso que su profundidad óptica pasó de 5 en algunos lugares, suficiente para oscurecer el cielo de día. Elige Humo de incendio para poner una profundidad óptica de 3 con partículas pequeñas.

Volcanes allá arriba

Una gran erupción puede elevar dióxido de azufre por encima del tiempo meteorológico hasta la estratosfera, donde se convierte en gotitas diminutas de ácido sulfúrico. Se extienden alrededor del planeta y se quedan un año o más. El monte Pinatubo, en Filipinas, lo hizo en junio de 1991, y esa bruma enfrió el planeta unos 0,5 °C hasta 1993.

La capa está a unos 20 km, así que sigue al sol un rato después de que el suelo se oscurece. Activa Capa de bruma volcánica y pon el sol 3° bajo el horizonte: aparece un resplandor rosa y púrpura muy por encima del arrebol. Tras la erupción del Krakatoa en 1883, los colores del crepúsculo fueron tan intensos que se llamó a los bomberos en Nueva York, Poughkeepsie y New Haven para apagar incendios que no existían.

Más arriba

El aire se enrarece con la altura. En la atmósfera del modelo, la densidad se reduce a la mitad cada 5,5 km aproximadamente. Altura del ojo te sube, y el cielo sobre tu cabeza se oscurece porque queda menos aire por encima para dispersar la luz.

A 4000 m en una montaña, alrededor del 40 % del aire queda por debajo y el cenit es de un azul hondo y oscuro. A 10 700 m, el crucero habitual de un avión de línea, tres cuartas partes del aire están abajo, y por la ventanilla el cielo de arriba es azul marino mientras el horizonte sigue pálido. El Concorde volaba hasta 18 300 m, donde sus pasajeros veían el cielo oscurecerse sobre una franja brillante. A 39 km, la altura del salto de Felix Baumgartner en 2012, menos del 1 % del aire queda por encima y el cielo es negro incluso a mediodía.

Desde la Estación Espacial Internacional, a unos 400 km de altura, la atmósfera es una línea fina y luminosa sobre el borde curvo del planeta. El azul sigue ahí, pero ahora lo ves de lado.

Otros cielos

Marte tiene una atmósfera de dióxido de carbono con una presión en superficie de 6,36 milibares, menos del 1 % de la nuestra, así que su gas dispersa muy poco. Lo que colorea el cielo es el polvo fino que siempre está en el aire. El polvo absorbe la luz azul (contiene óxidos de hierro) y dispersa el rojo en ángulos amplios, así que el cielo de día es de un marrón amarillento que se suele llamar color caramelo. En el modelo, a 45° del sol el cielo tiene un 27 % menos de azul que de rojo.

En la puesta, la imagen se invierte. Los granos de polvo algo mayores que la longitud de onda de la luz lanzan el azul hacia delante en un cono más estrecho que el rojo, así que cerca del sol la luz dispersada es más azul. El modelo da un halo azul alrededor del sol poniente con un 44 % más de azul que de rojo, como en la foto que tomó el rover Curiosity en el cráter Gale en abril de 2015. En la tormenta global de polvo de 2018, la profundidad óptica en el lugar del Opportunity pasó de 10. El rover Opportunity, que funcionaba con energía solar, se quedó sin energía y no volvió a despertar.

La Luna no tiene aire, así que nada se dispersa y el cielo es negro con el sol en lo alto. El suelo lo ilumina solo el sol.

Urano y Neptuno no tienen superficie sólida, así que en el modelo flotas sobre la capa de nubes de metano. El hidrógeno y el helio dispersan el azul como nuestro aire, y el metano absorbe con fuerza la luz roja, así que la luz que vuelve es azul verdosa. Un estudio de Oxford de 2024, que reequilibró las imágenes de la Voyager 2 y del Hubble, encontró que los dos planetas tienen un azul verdoso pálido parecido. Neptuno es un poco más azul porque su capa de bruma es más fina. El Neptuno azul intenso de las imágenes antiguas venía de fotos con el contraste realzado.

Veintitrés condiciones para probar

La barra bajo el modelo prepara cada caso y orienta la vista hacia la parte interesante del cielo.

1. Mediodía despejado: sol a 65°, azul profundo en lo alto.
2. Tarde: a 30°, el horizonte se aclara hacia el blanco.
3. Hora dorada: a 6°, luz cálida sobre el campo.
4. Puesta de sol: medio grado de altura, el disco rojo y tenue.
5. Sombra de la Tierra: 2,5° bajo el horizonte, mirando al este.
6. Hora azul: 6° bajo el horizonte, el ozono mantiene azul el crepúsculo.
7. Tras la lluvia: profundidad óptica 0,01, colinas lejanas nítidas.
8. Día brumoso: profundidad óptica 0,8, colinas desvaídas.
9. Polvo amarillo: profundidad óptica 1,5 de granos gruesos del desierto.
10. Humo de incendio: profundidad óptica 3, un día naranja.
11. Tras el Pinatubo: capa de sulfatos de profundidad óptica 0,15.
12. Tras el Krakatoa: una capa más gruesa, 0,35.
13. Cima de montaña: ojo a 4000 m.
14. Ventanilla de avión: ojo a 10 700 m.
15. Concorde: ojo a 18 300 m.
16. Salto estratosférico: ojo a 39 km.
17. Estación espacial: ojo a 400 km.
18. Marte de día: profundidad óptica del polvo 0,6.
19. Puesta en Marte: el halo azul.
20. Tormenta de polvo en Marte: profundidad óptica 5.
21. Luna: un cielo negro.
22. Urano: bruma espesa, azul verdoso pálido.
23. Neptuno: bruma más fina, algo más azul.

Comprobar el color en pantalla

El anillo del centro de la vista se mide dos veces. Píxel en pantalla lee el color que de verdad se dibuja en ese punto, después de la exposición y del tratamiento de color de la pantalla. Del espectro toma el espectro que calcula el modelo en ese mismo punto, lo pasa a coordenadas de color CIE con el observador estándar, lo convierte a sRGB y lo escala para que el canal más brillante quede al máximo. Así la muestra del espectro enseña siempre el tono a plena luminosidad, mientras que el píxel en pantalla arrastra también la exposición de toda la imagen y suele ser más oscuro y más gris. Compara el equilibrio de rojo, verde y azul en las dos. Cuando el equilibrio difiere mucho, el atajo usado para dibujar (tres longitudes de onda para rojo, verde y azul) se ha alejado del espectro completo.

Lo que el modelo deja fuera

• La luz se dispersa una sola vez. La luz real del cielo se dispersa en parte dos o más veces, lo que aclara el horizonte y el cielo del crepúsculo. El modelo añade una corrección aproximada.
• El dibujo usa tres longitudes de onda, 680, 550 y 440 nm; el gráfico y la comprobación de color usan 35, cada 10 nm de 380 a 720 nm.
• La bruma tiene un solo tamaño de partícula en cada condición y forma una sola capa que se aclara con la altura. La bruma real viene en capas de tamaños mezclados.
• No hay nubes en la Tierra, ni arcoíris, ni polarización, aunque la luz del cielo a 90° del sol está muy polarizada.
• Se ignora la refracción, así que el sol no se eleva ni se achata cerca del horizonte.
• La absorción del metano en Urano y Neptuno es un ajuste suave, no la estructura real de las bandas.

Un poco de historia

A finales de la década de 1860, John Tyndall hizo pasar haces intensos por tubos con partículas finas y vio luz azul dispersada hacia los lados, lo que hoy se llama efecto Tyndall. Lord Rayleigh publicó la teoría en 1871, mostrando que las partículas mucho menores que la longitud de onda dispersan en proporción a 1/λ⁴, y en 1899 demostró que las moléculas del aire bastan por sí solas para que el cielo sea azul, sin necesidad de polvo. Rayleigh ganó el Premio Nobel de Física de 1904 por su trabajo sobre las densidades de los gases y el descubrimiento del argón. Más tarde, Smoluchowski y Einstein relacionaron la dispersión de los gases con fluctuaciones diminutas de su densidad, lo que cerró la última laguna de la teoría.

El tipo de modelo que se usa aquí, que avanza a lo largo de cada rayo de visión por una atmósfera esférica, viene de la informática gráfica: Nishita y sus colegas en 1993, y el método precalculado de Bruneton y Neyret en 2008.

Ejemplo de cálculo: la aritmética de 1/λ⁴

Tomemos luz azul de 450 nm y luz roja de 700 nm. La dispersión de Rayleigh va como 1/λ⁴, así que la razón de las dos intensidades es (700 ÷ 450)⁴. La razón de longitudes de onda es 1,556; elevada al cuadrado da 2,42 y, otra vez al cuadrado, 5,86. El azul se dispersa unas 5,9 veces más que el rojo, cerca del 5,7 a 5,9 que obtiene el modelo para el par de 440 y 680 nm con el que dibuja. El par de 380 nm y 700 nm da (700 ÷ 380)⁴, unos 11,5.

Ahora convertimos la razón en lo que llega al suelo. Según el modelo, una columna vertical de aire limpio dispersa fuera cerca del 19% de la luz de 450 nm, así que pasa el 81%. La pérdida se escribe con una profundidad óptica τ, donde la fracción que sobrevive es e⁻τ, y 0,81 significa τ = 0,21. Si la escalamos con el mismo 5,86, el rojo tiene τ = 0,21 ÷ 5,86 = 0,036, y sobrevive el 96% de la luz de 700 nm.

Así es la puesta de sol. En el horizonte la masa de aire es de unas 38 (Kasten y Young), de modo que las profundidades ópticas se multiplican por 38. Azul: 0,21 × 38 = 8,0, y e⁻⁸·⁰ es 0,0003. Rojo: 0,036 × 38 = 1,4, y e⁻¹·⁴ es 0,25. El sol ha perdido casi todo su azul, pero conserva una cuarta parte de su rojo, una razón de unos 760 a 1. Es una comprobación simplificada que usa solo moléculas de aire y trata 1/λ⁴ como ley exacta. Los valores del modelo incluyen además ozono y bruma, por lo que difieren un poco, pero la historia es la misma.

Moléculas de aire, gotas y bruma: por qué importa el tamaño

Que la luz se disperse como 1/λ⁴ depende del tamaño de la partícula frente a la longitud de onda. Una molécula de nitrógeno mide menos de 1 nm, unas mil veces menos que la luz, así que sus electrones se mueven todos juntos y la ley de Rayleigh se cumple. Las partículas de bruma de 0,1 a 1 µm se acercan a la longitud de onda y se describen con la teoría de Mie. La dependencia del color se debilita y la mayor parte de la luz sigue hacia delante. Las gotas de nube de unos 10 µm son unas veinte veces mayores que la longitud de onda y dispersan casi por igual todos los colores visibles, por eso una nube iluminada por el sol es blanca.

La misma idea explica un cielo blanquecino. En una ciudad con smog o en un verano húmedo, las partículas suman su luz dispersada, casi sin color, al azul de las moléculas, y el cielo se aclara, sobre todo cerca del horizonte, donde la visual atraviesa más aire. Pon Bruma y polvo fino en 0,8 y verás el azul intenso volverse lechoso. Si luego reduces el Tamaño de partícula, al cielo le queda algo de azul; si lo llevas cerca de 0, como el polvo del desierto, el cielo se vuelve gris blanquecino.

Tras la lluvia ocurre lo contrario. Con pocas partículas el cielo es más oscuro y azul, y las colinas lejanas se ven nítidas. Eso es lo que muestra la condición Tras la lluvia.

La luz del cielo está polarizada

La luz dispersada por una molécula sale en todas direcciones y además está polarizada. En el caso ideal de una sola dispersión, la luz desviada exactamente 90° queda totalmente polarizada, con su campo eléctrico vibrando perpendicular al plano que contiene el sol, la molécula y tu ojo. En la dirección del sol, o justo opuesta, no está polarizada. Por eso el cielo azul y despejado a 90° del sol es la zona más polarizada.

La luz real del cielo nunca llega al ideal. Se dispersa más de una vez, rebota en el suelo y se mezcla con la bruma, y todo eso reduce la polarización. Aun así se puede ver. Ponte gafas de sol polarizadas, mira un trozo despejado del cielo a 90° del sol e inclina la cabeza: el cielo se aclara y se oscurece. Tyndall anotó la polarización de la luz del cielo en 1869 y Rayleigh desarrolló su teoría en 1871, en el mismo artículo que da la ley 1/λ⁴. El modelo omite la polarización y dibuja solo el brillo total, así que lo que ves en pantalla es la suma de las dos direcciones.

Malentendidos frecuentes

«El cielo es azul porque refleja el mar.» En parte es al revés. El cielo es azul sobre desiertos, montañas y lagos que no son azules en absoluto. El mar es azul porque el agua absorbe la luz roja, de modo que filtra la luz del sol y deja el azul, como explica la NOAA. El mar también puede copiar en su superficie el color del cielo, pero los dos colores tienen causas distintas.

«El polvo o el vapor de agua hacen azul el cielo.» Los experimentos de Tyndall usaban partículas finas y durante mucho tiempo se sospechó que hacía falta polvo. Rayleigh demostró en 1899 que las moléculas de aire bastan por sí solas. El aire limpio es más azul.

«El cielo es violeta, pero nuestros ojos no lo ven.» A medias. El ojo es débil en el violeta, y la luz del sol en lo alto de la atmósfera también, pero los conos responden a una mezcla amplia, y esa mezcla se ve azul pálido. Los números están en la sección sobre el violeta.

«El ozono hace azul el cielo.» De día el ozono tiene un efecto débil. Su absorción importa para el azul del crepúsculo profundo, cuando la luz recorre un camino larguísimo.

«Las puestas de sol rojas vienen de la contaminación.» La contaminación puede volverlas más naranjas, pero con aire limpio el sol ya es rojo por el camino largo. El humo muy espeso da, en cambio, un sol oscuro.

«La luz azul se desvía más, por eso el sol bajo se ve rojo.» La refracción desvía un poco más la luz azul, pero aquí no cumple ningún papel real. Quien quita el azul es la dispersión, no la desviación.

Pruébalo en pantalla

1. Elige Mediodía despejado, Hora dorada y Puesta de sol, y mira las filas Masa de aire y Luz restante 680/440 nm. La masa de aire sube bruscamente y la parte azul de la luz directa cae mucho más rápido que la roja.
2. Elige Día brumoso y baja el sol a mano. Con más bruma el sol se enrojece menos y la puesta de sol se oscurece, como en la sección sobre la bruma.
3. Elige Tras la lluvia y luego Polvo amarillo. Compara el cielo cerca del horizonte y las colinas lejanas.
4. Elige Marte de día y Puesta en Marte. El cielo de día es color caramelo, y el resplandor azul alrededor del sol poniente aparece solo en la puesta.
5. Sube la Altura del ojo desde el suelo hasta la Ventanilla de avión y el Salto estratosférico, y lee cómo el cielo sobre tu cabeza pasa de azul a azul marino y a negro.
6. Activa Sensibilidad del ojo y compara la curva del cielo con la del ojo.