La óptica atmosférica es "el estudio de las características ópticas de la atmósfera o de los productos de los procesos atmosféricos... [incluyendo] resoluciones temporales y espaciales más allá de las perceptibles a simple vista". [1] La óptica meteorológica es "la parte de la óptica atmosférica que se ocupa del estudio de patrones observables a simple vista". [2] Sin embargo, a veces ambos términos se utilizan indistintamente.
Los fenómenos ópticos meteorológicos , tal como se describen en este artículo, se ocupan de cómo las propiedades ópticas de la atmósfera terrestre causan una amplia gama de fenómenos ópticos y fenómenos de percepción visual . Algunos ejemplos de fenómenos meteorológicos incluyen:
Otros fenómenos que son notables porque son formas de ilusiones visuales incluyen:
En el siglo XVI se publicó un libro sobre óptica meteorológica, pero desde aproximadamente 1950 se han publicado numerosos libros sobre el tema. [6] El tema se popularizó gracias a la amplia circulación de un libro de Marcel Minnaert , Luz y color al aire libre , en 1954. [7] [8]
En el Libro de Óptica (1011-22 d. C.), Ibn al-Haytham sostuvo que la visión se produce en el cerebro, que la experiencia personal tiene un efecto sobre lo que la gente ve y cómo ve, y que la visión y la percepción son subjetivas. Argumentando contra la teoría de la refracción de Ptolomeo sobre por qué la gente percibe el Sol y la Luna más grandes en el horizonte que cuando están más altos en el cielo, redefinió el problema en términos de agrandamiento percibido, en lugar de real. Dijo que juzgar la distancia de un objeto depende de que haya una secuencia ininterrumpida de cuerpos intermedios entre el objeto y el observador. Críticamente, Ibn al-Haytham dijo que juzgar el tamaño de un objeto depende de su distancia juzgada: un objeto que parece cercano parece más pequeño que un objeto que tiene el mismo tamaño de imagen en la retina que parece lejano. Con la Luna en lo alto, no hay una secuencia ininterrumpida de cuerpos intermedios. Por lo tanto, parece lejos y pequeño. Con una Luna en el horizonte, hay una secuencia ininterrumpida de cuerpos intermedios: todos los objetos entre el observador y el horizonte, por lo que la Luna aparece lejana y grande. A través de trabajos de Roger Bacon , John Pecham y Witelo basados en la explicación de Ibn al-Haytham, la ilusión lunar gradualmente llegó a ser aceptada como un fenómeno psicológico, con la teoría de Ptolomeo siendo rechazada en el siglo XVII. [9] Durante más de 100 años, la investigación sobre la ilusión lunar ha sido realizada por científicos de la visión que invariablemente han sido psicólogos especializados en la percepción humana . Después de revisar las muchas explicaciones diferentes en su libro de 2002 El misterio de la ilusión lunar , Ross y Plug concluyeron que "Ninguna teoría ha salido victoriosa". [10]
El color de la luz del cielo es el resultado de la dispersión de Rayleigh de la luz solar , que da como resultado un color azul percibido. En un día soleado, la dispersión de Rayleigh le da al cielo un gradiente azul , más oscuro alrededor del cenit y más brillante cerca del horizonte. Los rayos de luz que vienen del cenit toman el camino más corto posible ( 1 ⁄ 38 ) a través de la masa de aire , lo que produce menos dispersión. Los rayos de luz que vienen del horizonte toman el camino más largo posible a través del aire, lo que produce más dispersión. [11]
El azul está en el horizonte porque la luz azul que viene de grandes distancias también se dispersa preferentemente. Esto da como resultado un desplazamiento hacia el rojo de las fuentes de luz distantes que se compensa con el tono azul de la luz dispersa en la línea de visión. En otras palabras, la luz roja también se dispersa; si lo hace en un punto a gran distancia del observador, tiene una probabilidad mucho mayor de alcanzarlo que la luz azul. A distancias cercanas al infinito, la luz dispersa es, por lo tanto, blanca. Las nubes distantes o las cimas de las montañas nevadas parecerán amarillas por esa razón; [12] ese efecto no es obvio en días claros, pero es muy pronunciado cuando las nubes cubren la línea de visión, lo que reduce el tono azul de la luz solar dispersa.
La dispersión debida a partículas del tamaño de moléculas (como en el aire) es mayor en las direcciones hacia adelante y hacia atrás que en la dirección lateral. [13] Las gotas de agua individuales expuestas a la luz blanca crearán un conjunto de anillos de colores. Si una nube es lo suficientemente espesa, la dispersión de múltiples gotas de agua eliminará el conjunto de anillos de colores y creará un color blanco descolorido. [14] El polvo del Sahara se mueve alrededor de la periferia sur de la cordillera subtropical y se desplaza hacia el sureste de los Estados Unidos durante el verano, lo que cambia el cielo de un aspecto azul a uno blanco y conduce a un aumento de los atardeceres rojos. Su presencia afecta negativamente a la calidad del aire durante el verano, ya que aumenta el recuento de partículas en suspensión. [15]
El cielo puede adquirir una multitud de colores, como rojo, naranja, rosa y amarillo (especialmente cerca del atardecer o del amanecer) y negro por la noche. Los efectos de dispersión también polarizan parcialmente la luz del cielo, de forma más pronunciada en un ángulo de 90° respecto del Sol.
La Comisión Internacional de Iluminación (CIE) ha recomendado modelos de distribución de luminancia del cielo para el diseño de esquemas de iluminación natural . Los desarrollos recientes se relacionan con “modelos de todo el cielo” para modelar la luminancia del cielo en condiciones climáticas que van desde cielo despejado hasta nublado . [17]
El color de una nube, tal como se ve desde la Tierra, dice mucho sobre lo que está sucediendo dentro de la nube. Las nubes troposféricas profundas densas exhiben una alta reflectancia (70% a 95%) en todo el espectro visible . Las partículas diminutas de agua están densamente empaquetadas y la luz solar no puede penetrar mucho en la nube antes de reflejarse, lo que le da a la nube su color blanco característico, especialmente cuando se ve desde arriba. [18] Las gotas de las nubes tienden a dispersar la luz de manera eficiente, de modo que la intensidad de la radiación solar disminuye con la profundidad en los gases. Como resultado, la base de la nube puede variar de un gris muy claro a un gris muy oscuro dependiendo del espesor de la nube y de cuánta luz se refleje o transmita de regreso al observador. Las nubes delgadas pueden verse blancas o parecer que han adquirido el color de su entorno o fondo. Las nubes troposféricas altas y no troposféricas parecen mayoritariamente blancas si están compuestas completamente de cristales de hielo y/o gotas de agua superenfriada.
A medida que una nube troposférica madura, las gotas de agua densas pueden combinarse para producir gotas más grandes, que pueden combinarse para formar gotas lo suficientemente grandes como para caer en forma de lluvia. Mediante este proceso de acumulación, el espacio entre las gotas se hace cada vez más grande, lo que permite que la luz penetre más profundamente en la nube. Si la nube es lo suficientemente grande y las gotas que contiene están lo suficientemente espaciadas, puede suceder que un porcentaje de la luz que ingresa a la nube no se refleje hacia afuera antes de ser absorbida. Un ejemplo simple de esto es poder ver más lejos con una lluvia intensa que con una niebla espesa. Este proceso de reflexión / absorción es lo que causa la gama de colores de las nubes, desde el blanco hasta el negro. [19]
Otros colores se producen de forma natural en las nubes. El gris azulado es el resultado de la dispersión de la luz dentro de la nube. En el espectro visible, el azul y el verde están en el extremo corto de las longitudes de onda visibles de la luz, mientras que el rojo y el amarillo están en el extremo largo. [20] Los rayos cortos se dispersan más fácilmente por las gotas de agua, y los rayos largos tienen más probabilidades de ser absorbidos. El color azulado es evidencia de que dicha dispersión se produce por gotas del tamaño de la lluvia en la nube. Una nube cumulonimbus que emite verde es una señal de que se trata de una tormenta eléctrica severa , [21] capaz de producir fuertes lluvias, granizo , vientos fuertes y posibles tornados . La causa exacta de las tormentas eléctricas verdes aún se desconoce, pero podría deberse a la combinación de la luz solar enrojecida que pasa a través de nubes ópticamente muy espesas. Las nubes amarillentas pueden aparecer a fines de la primavera hasta principios del otoño durante los meses de la temporada de incendios forestales . El color amarillo se debe a la presencia de contaminantes en el humo. En ocasiones se observan nubes amarillentas causadas por la presencia de dióxido de nitrógeno en zonas urbanas con altos niveles de contaminación del aire. [22]
Las nubes rojas, anaranjadas y rosadas aparecen casi exclusivamente al amanecer y al atardecer y son el resultado de la dispersión de la luz solar por la atmósfera. Cuando el ángulo entre el Sol y el horizonte es inferior al 10 por ciento, como ocurre justo después del amanecer o justo antes del atardecer, la luz solar se vuelve demasiado roja debido a la refracción para que se puedan ver otros colores que no sean los de tono rojizo. [21] Las nubes no se vuelven de ese color; están reflejando rayos de sol largos y no dispersos, que son los predominantes a esas horas. El efecto es muy parecido al que se produce si una persona iluminara una sábana blanca con un foco rojo. En combinación con grandes nubarrones maduros, esto puede producir nubes de color rojo sangre. Las nubes se ven más oscuras en el infrarrojo cercano porque el agua absorbe la radiación solar en esas longitudes de onda .
Un halo (ἅλως; también conocido como nimbo, arcoíris de hielo o gloriolo) es un fenómeno óptico producido por la interacción de la luz del Sol o la Luna con cristales de hielo en la atmósfera, lo que da como resultado arcos, anillos o manchas de colores o blancos en el cielo. [23] Muchos halos se ubican cerca del Sol o la Luna, pero otros están en otros lugares e incluso en la parte opuesta del cielo. También pueden formarse alrededor de luces artificiales en climas muy fríos cuando los cristales de hielo llamados polvo de diamante flotan en el aire cercano. [24]
Hay muchos tipos de halos de hielo. Son producidos por los cristales de hielo en cirros o cirroestratos en lo alto de la troposfera superior , a una altitud de 5 kilómetros (3,1 mi) a 10 kilómetros (6,2 mi), o, durante un clima muy frío, por cristales de hielo llamados polvo de diamante que flotan en el aire a niveles bajos. [25] [26] [27] La forma y orientación particulares de los cristales son responsables de los tipos de halo observados. La luz es reflejada y refractada por los cristales de hielo y puede dividirse en colores debido a la dispersión . Los cristales se comportan como prismas y espejos , refractando y reflejando la luz solar entre sus caras, enviando rayos de luz en direcciones particulares. [23] Para los halos circulares, la distancia angular preferida son 22 y 46 grados desde los cristales de hielo que los crean. [28] Los fenómenos atmosféricos como los halos se han utilizado como parte de la tradición meteorológica como un medio empírico de pronóstico del tiempo , y su presencia indica la aproximación de un frente cálido y su lluvia asociada . [29]
Los perros solares son un tipo común de halo, con la apariencia de dos puntos brillantes de colores sutiles a la izquierda y a la derecha del Sol, a una distancia de aproximadamente 22° y a la misma altura sobre el horizonte. Suelen estar causados por cristales de hielo hexagonales en forma de placa . [25] [26] Estos cristales tienden a alinearse horizontalmente a medida que se hunden en el aire, lo que hace que refracten la luz solar hacia la izquierda y la derecha, lo que da como resultado los dos perros solares. [26] [25]
A medida que el Sol se eleva, los rayos que pasan a través de los cristales se desvían cada vez más del plano horizontal. Su ángulo de desviación aumenta y los parhelios se alejan del Sol. [30] Sin embargo, siempre permanecen a la misma altura que el Sol. Los parhelios son de color rojo en el lado más cercano al Sol. Más lejos, los colores se vuelven azules o violetas. [25] Sin embargo, los colores se superponen considerablemente y, por lo tanto, son apagados, rara vez puros o saturados. Los colores del parhelio finalmente se fusionan con el blanco del círculo parhélico (si este último es visible).
En teoría, es posible predecir las formas de los parhelios que se verían en otros planetas y lunas. Marte podría tener parhelios formados tanto por hielo de agua como por hielo de CO2 . En los planetas gaseosos gigantes ( Júpiter , Saturno , Urano y Neptuno ), otros cristales forman nubes de amoníaco , metano y otras sustancias que pueden producir halos con cuatro o más parhelios. [31]
Un fenómeno óptico común que involucra gotas de agua es la gloria. [23] Una gloria es un fenómeno óptico, que aparece como un halo icónico de un santo sobre la cabeza del observador, producido por la luz retrodispersada (una combinación de difracción , reflexión y refracción ) hacia su fuente por una nube de gotas de agua de tamaño uniforme. Una gloria tiene múltiples anillos de colores, con colores rojos en el anillo más externo y colores azules/violetas en el anillo más interno. [32]
La distancia angular es mucho menor que la de un arcoíris, oscilando entre 5° y 20°, dependiendo del tamaño de las gotitas. La gloria solo se puede ver cuando el observador está directamente entre el Sol y la nube de gotitas de agua refractantes. Por lo tanto, se observa comúnmente en el aire, con la gloria rodeando la sombra del avión en las nubes (a esto a menudo se le llama La gloria del piloto ). Las glorias también se pueden ver desde montañas y edificios altos, [33] cuando hay nubes o niebla por debajo del nivel del observador, o en días con niebla en el suelo. La gloria está relacionada con el fenómeno óptico anthelion .
Un arcoíris es un fenómeno óptico y meteorológico que hace que aparezca un espectro de luz en el cielo cuando la luz del sol brilla sobre gotitas de humedad en la atmósfera de la Tierra. Toma la forma de un arco multicolor . Los arcoíris causados por la luz solar siempre aparecen en la sección del cielo directamente opuesta al Sol, pero se originan a no más de 42 grados sobre el horizonte para los observadores en tierra. Para verlos en ángulos más altos, un observador necesitaría estar en un avión o cerca de la cima de una montaña, ya que de lo contrario el arcoíris estaría debajo del horizonte. Cuanto más grandes sean las gotitas que forman el arcoíris, más brillante será. Los arcoíris son más comunes cerca de las tormentas eléctricas de la tarde durante el verano. [34]
Un único reflejo en la parte posterior de una serie de gotas de lluvia produce un arcoíris con un tamaño angular en el cielo que varía de 40° a 42° con rojo en el exterior. Los arcoíris dobles se producen por dos reflexiones internas con un tamaño angular de 50,5° a 54° con violeta en el exterior. Dentro del "arcoíris primario" (el más bajo y también normalmente el más brillante) el arco de un arcoíris muestra rojo en la parte exterior (o superior) del arco y violeta en la sección interior. Este arcoíris se produce cuando la luz se refleja una vez en gotas de agua. En un arcoíris doble, se puede ver un segundo arco por encima y fuera del arco primario, y tiene el orden de sus colores invertido (el rojo mira hacia adentro hacia el otro arcoíris, en ambos arcoíris). Este segundo arcoíris se produce cuando la luz se refleja dos veces dentro de las gotas de agua. [34] La región entre un arcoíris doble es oscura. La razón de esta banda oscura es que, mientras que la luz debajo del arcoíris primario proviene de la reflexión de las gotas, y la luz sobre el arcoíris superior (secundario) también proviene de la reflexión de las gotas, no hay ningún mecanismo para que la región entre un arcoíris doble muestre luz reflejada por las gotas de agua.
Un arcoíris abarca un espectro continuo de colores; las bandas distintivas (incluido el número de bandas) son un artefacto de la visión humana del color , y no se ven bandas de ningún tipo en una fotografía en blanco y negro de un arcoíris (solo una suave gradación de intensidad hasta un máximo, que luego se desvanece hasta un mínimo en el otro lado del arco). Para los colores vistos por un ojo humano normal, la secuencia más citada y recordada, en inglés, es la séptuple de Isaac Newton : rojo, naranja, amarillo, verde, azul, índigo y violeta (popularmente memorizada por mnemotécnicos como Roy G. Biv ). [35]
Un espejismo es un fenómeno óptico natural en el que los rayos de luz se desvían para producir una imagen desplazada de objetos distantes o del cielo. La palabra proviene del francés mirage , del latín mirare , que significa "mirar, maravillarse". Esta es la misma raíz que "espejo" y "admirar". Además, tiene sus raíces en el árabe mirage .
A diferencia de una alucinación , un espejismo es un fenómeno óptico real que puede captarse con una cámara, ya que los rayos de luz se refractan para formar la imagen falsa en la posición del observador. Sin embargo, lo que la imagen parece representar está determinado por las facultades interpretativas de la mente humana. Por ejemplo, las imágenes inferiores en la tierra se confunden muy fácilmente con los reflejos de una pequeña masa de agua.
Los espejismos se pueden clasificar como "inferiores" (que significa más bajo), "superiores" (que significa más alto) y " Fata Morgana ", un tipo de espejismo superior que consiste en una serie de imágenes inusualmente elaboradas, apiladas verticalmente, que forman un espejismo que cambia rápidamente.
Los destellos verdes y los rayos verdes son fenómenos ópticos que ocurren poco después del atardecer o antes del amanecer, cuando un punto verde es visible, generalmente durante no más de un segundo o dos, sobre el Sol, o un rayo verde se dispara desde el punto del atardecer. Los destellos verdes son en realidad un grupo de fenómenos que se originan por diferentes causas, y algunos son más comunes que otros. [36] Los destellos verdes se pueden observar desde cualquier altitud (incluso desde un avión). Por lo general, se ven en un horizonte sin obstáculos , como sobre el océano, pero también son posibles sobre las cimas de las nubes y las cimas de las montañas.
También se puede observar un destello verde de la Luna y planetas brillantes en el horizonte, incluidos Venus y Júpiter . [37] [38]
Este fenómeno óptico se produce porque los rayos de luz se desvían fuertemente cuando pasan a través de capas de aire de diferentes temperaturas en una inversión térmica pronunciada donde se ha formado un conducto atmosférico . [39] Una inversión térmica es una condición atmosférica donde existe aire más cálido en una capa bien definida sobre una capa de aire significativamente más frío. Esta inversión de temperatura es lo opuesto de lo que es normalmente el caso; el aire suele ser más cálido cerca de la superficie y más frío más arriba. En clima tranquilo, una capa de aire significativamente más cálido puede reposar sobre aire denso más frío, formando un conducto atmosférico que actúa como una lente refractora , produciendo una serie de imágenes tanto invertidas como erectas.
Fata Morgana es una forma inusual y muy compleja de espejismo, una forma de espejismo superior que, como muchos otros tipos de espejismos superiores, se ve en una banda estrecha justo encima del horizonte. Es una frase italiana derivada del latín vulgar para "hada" y del hechicero artúrico Morgan le Fay , [40] de la creencia de que el espejismo, a menudo visto en el estrecho de Messina , eran castillos de hadas en el aire, [41] o tierra falsa diseñada para atraer a los marineros a su muerte creada por su brujería. Aunque el término Fata Morgana a veces se aplica incorrectamente a otros tipos de espejismos más comunes, la verdadera Fata Morgana no es lo mismo que un espejismo superior ordinario, y ciertamente no es lo mismo que un espejismo inferior .
Los espejismos de Fata Morgana distorsionan enormemente el objeto o los objetos en los que se basan, de modo que a menudo el objeto parece muy inusual e incluso puede transformarse de tal manera que resulta completamente irreconocible. Un Fata Morgana se puede ver en tierra o en el mar, en regiones polares o en desiertos. Este tipo de espejismo puede involucrar casi cualquier tipo de objeto distante, incluidos barcos, islas y costas.
Una Fata Morgana no sólo es compleja, sino que también cambia rápidamente. El espejismo consta de varias imágenes invertidas (boca abajo) y erectas (boca arriba) que se apilan una sobre otra. Los espejismos de Fata Morgana también muestran zonas comprimidas y estiradas alternadas. [39]
El efecto de Nueva Zembla es un espejismo polar causado por la alta refracción de la luz solar entre las termoclinas atmosféricas . El efecto de Nueva Zembla dará la impresión de que el sol sale antes o se pone más tarde de lo que realmente debería (astronómicamente hablando). [42] Dependiendo de la situación meteorológica, el efecto presentará al Sol como una línea o un cuadrado (al que a veces se hace referencia como el "sol rectangular"), formado por formas aplanadas de reloj de arena. El espejismo requiere que los rayos de sol tengan una capa de inversión durante cientos de kilómetros, y depende del gradiente de temperatura de la capa de inversión . La luz solar debe doblarse hacia la curvatura de la Tierra al menos 400 kilómetros (250 millas) para permitir un aumento de elevación de 5 grados para ver el disco solar.
La primera persona que registró el fenómeno fue Gerrit de Veer , miembro de la desafortunada tercera expedición de Willem Barentsz a la región polar. Novaya Zemlya , el archipiélago donde De Veer observó el fenómeno por primera vez, le da su nombre al efecto. [42]
Los rayos crepusculares son rayos de luz solar casi paralelos que se mueven a través de la atmósfera de la Tierra, pero parecen divergir debido a la perspectiva lineal . [43] A menudo ocurren cuando objetos como picos de montañas o nubes sombrean parcialmente los rayos del Sol como una capa de nubes . Varios compuestos transportados por el aire dispersan la luz solar y hacen que estos rayos sean visibles, debido a la difracción , la reflexión y la dispersión.
Los rayos crepusculares también pueden verse ocasionalmente bajo el agua, especialmente en las zonas árticas, y aparecen en las plataformas de hielo o en las grietas del hielo. También se pueden ver en los días en que el sol incide sobre las nubes en un ángulo perfecto que ilumina la zona.
Hay tres formas principales de rayos crepusculares [ cita requerida ] :
Se observan comúnmente cerca del amanecer y el atardecer, cuando las nubes altas como los cumulonimbos y las montañas pueden ser más efectivas para crear estos rayos. [ cita requerida ]
Los rayos anticrepusculares, aunque en realidad son paralelos, a veces se ven en el cielo en dirección opuesta al sol y parecen converger nuevamente en el horizonte lejano.
La refracción atmosférica influye en la posición aparente de los objetos astronómicos y terrestres, haciendo que parezcan más altos de lo que son en realidad. Por este motivo, los navegantes, astrónomos y topógrafos observan las posiciones cuando estos efectos son mínimos. Los marineros sólo fotografiarán una estrella cuando esté a 20° o más sobre el horizonte, los astrónomos intentan programar las observaciones cuando un objeto está más alto en el cielo y los topógrafos intentan observar por la tarde, cuando la refracción es mínima.
La difracción atmosférica es un efecto visual causado cuando la luz solar es desviada por partículas suspendidas en el aire.
Los fenómenos ópticos atmosféricos incluyen: