La óptica atmosférica es "el estudio de las características ópticas de la atmósfera o de los productos de los procesos atmosféricos... [incluidas] resoluciones temporales y espaciales más allá de las perceptibles a simple vista". [1] La óptica meteorológica es "aquella parte de la óptica atmosférica que se ocupa del estudio de patrones observables a simple vista". [2] Sin embargo, los dos términos a veces se usan indistintamente.
Los fenómenos ópticos meteorológicos , 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 de percepción visual . 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 1950 aproximadamente 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 la Óptica (1011-22 d.C.), Ibn al-Haytham argumentó que la visión se produce en el cerebro y que la experiencia personal tiene un efecto sobre lo que las personas ven y cómo ven, y que la visión y la percepción son subjetivas. Argumentando en contra de 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 ampliación percibida, más que 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 aparece cerca parece más pequeño que un objeto que tiene el mismo tamaño de imagen en la retina que aparece lejos. Con la Luna en lo alto, no hay una secuencia ininterrumpida de cuerpos intermedios. De ahí que parezca lejano 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 parece lejana y grande. A través de obras de Roger Bacon , John Pecham y Witelo basadas en la explicación de Ibn al-Haytham, la ilusión de la Luna llegó gradualmente a ser aceptada como un fenómeno psicológico, siendo rechazada la teoría de Ptolomeo en el siglo XVII. [9] Durante más de 100 años, la investigación sobre la ilusión de la Luna ha sido realizada por científicos de la visión que invariablemente han sido psicólogos especializados en la percepción humana . Después de revisar las diferentes explicaciones 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 Rayleigh de la luz solar , lo que da como resultado la percepción de un color azul. En un día soleado, la dispersión de Rayleigh le da al cielo un degradado azul , más oscuro alrededor del cenit y más brillante cerca del horizonte. Los rayos de luz que provienen 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 provienen del horizonte toman el camino más largo posible a través del aire, lo que produce una mayor dispersión. [11]
El azul está en el horizonte porque la luz azul que llega desde 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 muchas más posibilidades de alcanzarlo que la luz azul. Por tanto, a distancias cercanas al infinito, la luz dispersada es blanca. Las nubes distantes o las cimas nevadas de las montañas parecerán amarillas por esa razón; [12] ese efecto no es obvio en días despejados, pero es muy pronunciado cuando las nubes cubren la línea de visión, reduciendo el tono azul de la luz solar dispersa.
La dispersión debida a partículas del tamaño de una molécula (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 cresta subtropical y se mueve hacia el sureste de los Estados Unidos durante el verano, lo que cambia el cielo de una apariencia azul a una apariencia blanca y conduce a un aumento de las puestas de sol rojas. Su presencia afecta negativamente la calidad del aire durante el verano, ya que aumenta el recuento de partículas en el aire. [15]
El cielo puede adquirir multitud de colores como rojo, naranja, rosa y amarillo (especialmente cerca del atardecer o el amanecer) y negro durante la noche. Los efectos de dispersión también polarizan parcialmente la luz del cielo, más pronunciada en un ángulo de 90° con respecto al Sol.
La Comisión Internacional de Iluminación (CIE) ha recomendado los modelos de distribución de luminancia del cielo para el diseño de esquemas de iluminación natural . Los avances recientes se refieren a “todos los modelos de cielo” para modelar la luminancia del cielo en condiciones climáticas que van desde cielo despejado hasta nublado . [17]
El color de una nube, vista desde la Tierra, dice mucho sobre lo que sucede dentro de la nube. Las densas nubes troposféricas profundas exhiben una alta reflectancia (70% a 95%) en todo el espectro visible . Pequeñas partículas de agua están densamente empaquetadas y la luz del sol no puede penetrar mucho en la nube antes de reflejarse, lo que le da a la nube su característico color blanco, 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 de 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 refleja o transmite al observador. Las nubes delgadas pueden parecer blancas o haber adquirido el color de su entorno o fondo. Las nubes troposféricas altas y no troposféricas aparecen en su mayoría blancas si están compuestas enteramente de cristales de hielo y/o gotas de agua superenfriada.
A medida que una nube troposférica madura, las densas gotas de agua 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 en la nube. Si la nube es lo suficientemente grande y las gotas de su interior están lo suficientemente espaciadas, puede ser que un porcentaje de la luz que ingresa a la nube no se refleje hacia afuera antes de ser absorbida. Un ejemplo sencillo de esto es poder ver más lejos bajo una lluvia intensa que con una niebla intensa. Este proceso de reflexión / absorción es lo que provoca la gama de color de las nubes del blanco al negro. [19]
Otros colores se encuentran naturalmente 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 se encuentran en el extremo corto de las longitudes de onda visibles de la luz, mientras que el rojo y el amarillo se encuentran en el extremo largo. [20] Los rayos cortos son más fácilmente dispersados por las gotas de agua, y los rayos largos tienen más probabilidades de ser absorbidos. El color azulado es evidencia de que dicha dispersión es producida por gotas del tamaño de lluvia en la nube. Una nube cumulonimbus que emite color verde es señal de que se trata de una tormenta severa , [21] capaz de provocar fuertes lluvias, granizo , fuertes vientos y posibles tornados . Aún se desconoce la causa exacta de las tormentas verdes, pero podría deberse a la combinación de la luz solar enrojecida que atraviesa nubes ópticamente muy espesas. Pueden aparecer nubes amarillentas desde finales de la primavera hasta principios del otoño durante la temporada de incendios forestales . El color amarillo se debe a la presencia de contaminantes en el humo. A veces se ven nubes amarillentas causadas por la presencia de dióxido de nitrógeno en áreas urbanas con altos niveles de contaminación del aire. [22]
Las nubes rojas, naranjas y rosadas aparecen casi en su totalidad 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 del sol se vuelve demasiado roja debido a la refracción para que se puedan ver otros colores que no sean aquellos con un tono rojizo. [21] Las nubes no se vuelven de ese color; reflejan largos y dispersos rayos de sol, que predominan a esas horas. El efecto es muy parecido al de si una persona iluminara con un foco rojo una sábana blanca. En combinación con tormentas grandes y maduras, 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, arco de hielo o gloriola) es un fenómeno óptico producido por la interacción de la luz del Sol o la Luna con cristales de hielo en la atmósfera, dando como resultado arcos, anillos o manchas de colores o blancos en el cielo. . [23] Muchos halos están ubicados 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 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 los cirros o cirroestratos en lo alto de la troposfera superior , a una altitud de 5 kilómetros (3,1 millas) a 10 kilómetros (6,2 millas), o, durante climas muy fríos, por cristales de hielo llamados polvo de diamante a la deriva. 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 del sol entre sus caras, enviando rayos de luz en direcciones particulares. [23] Para halos circulares, la distancia angular preferida es 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 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 aparición 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 elevación sobre el horizonte. Comúnmente son causadas por cristales de hielo hexagonales en forma de placas . [25] [26] Estos cristales tienden a alinearse horizontalmente a medida que se hunden en el aire, lo que hace que refracten la luz del sol hacia la izquierda y hacia la derecha, lo que da como resultado los dos perros solares. [26] [25]
A medida que el Sol se eleva, los rayos que atraviesan los cristales están cada vez más desviados del plano horizontal. Su ángulo de desviación aumenta y los perros del sol se alejan del Sol. [30] Sin embargo, siempre permanecen a la misma elevación que el Sol. Los perros solares son de color rojo en el lado más cercano al Sol. Más lejos, los colores varían hacia el azul o el violeta. [25] Sin embargo, los colores se superponen considerablemente y, por lo tanto, son apagados, rara vez puros o saturados. Los colores del perro solar finalmente se fusionan con el blanco del círculo parhélico (si este último es visible).
Teóricamente es posible predecir las formas de los perros solares como se verían en otros planetas y lunas. Marte podría tener perros solares formados tanto por hielo de agua como por hielo de CO 2 . 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 astros. [31]
Un fenómeno óptico común que involucra gotas de agua es la gloria. [23] Una gloria es un fenómeno óptico, que se parece mucho al halo icónico de un santo alrededor de la cabeza del observador, producido por la luz retrodispersada (una combinación de difracción , reflexión y refracción ) hacia su fuente por una nube de agua de tamaño uniforme. gotas. Una gloria tiene anillos de múltiples colores, con colores rojos en el anillo más externo y colores azul/violeta en el anillo más interno. [32]
La distancia angular es mucho menor que la de un arco iris, oscilando entre 5° y 20°, dependiendo del tamaño de las gotas. La gloria sólo puede verse cuando el observador está directamente entre el Sol y una nube de gotas de agua refractarias. Por lo tanto, se observa comúnmente en el aire, con la gloria rodeando la sombra del avión en las nubes (esto a menudo se llama La Gloria del Piloto ). Las glorias también pueden verse 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 arco iris es un fenómeno óptico y meteorológico que hace que aparezca un espectro de luz en el cielo cuando la luz del sol incide sobre las gotas de humedad en la atmósfera terrestre. 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 para los observadores en tierra no se originan a más de 42 grados sobre el horizonte. Para verlos en ángulos más altos, un observador tendría que estar en un avión o cerca de la cima de una montaña, ya que de lo contrario el arco iris estaría debajo del horizonte. Cuanto más grandes sean las gotas que formaron el arcoíris, más brillante será. Los arcoíris son más comunes cerca de las tormentas de la tarde durante el verano. [34]
Un solo reflejo en la parte posterior de una serie de gotas de lluvia produce un arco iris con un tamaño angular en el cielo que varía de 40° a 42° con rojo en el exterior. Los arcoíris dobles se producen mediante dos reflejos internos con un tamaño angular de 50,5° a 54° con violeta en el exterior. Dentro del "arco iris primario" (el arco iris más bajo, y normalmente también el más brillante), el arco de un arco iris se muestra rojo en la parte exterior (o superior) del arco y violeta en la sección interior. Este arco iris es causado por la luz que se refleja una vez en gotas de agua. En un arco iris doble, se puede ver un segundo arco encima y fuera del arco primario, y tiene el orden de sus colores invertido (el rojo mira hacia adentro, hacia el otro arco iris, en ambos arco iris). Este segundo arco iris es causado por la luz que se refleja dos veces dentro de las gotas de agua. [34] La región entre un doble arco iris es oscura. La razón de esta banda oscura es que, si bien la luz debajo del arco iris primario proviene de la reflexión de las gotas, y la luz sobre el arco iris superior (secundario) también proviene de la reflexión de las gotas, no existe ningún mecanismo para que la región entre un arco iris doble muestre luz. reflejado por las gotas de agua, en absoluto.
Un arco iris abarca un espectro continuo de colores; Las distintas bandas (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 arco iris (sólo una suave gradación de intensidad hasta un máximo, que luego se desvanece). a 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 roja, naranja, amarilla, verde, azul, índigo y violeta de Isaac Newton (popularmente memorizada mediante mnemónicos como Roy G. Biv ). . [35]
Un espejismo es un fenómeno óptico que ocurre naturalmente en el que los rayos de luz se desvían para producir una imagen desplazada de objetos distantes o del cielo. La palabra llega al inglés a través del francés mirage , del latín mirare , que significa "mirar, maravillarse". Esta es la misma raíz que para "espejo" y "admirar". Asimismo, tiene sus raíces en el espejismo árabe .
A diferencia de una alucinación , un espejismo es un fenómeno óptico real que puede captarse con una cámara, ya que los rayos de luz en realidad se refractan para formar una imagen falsa en el lugar donde se encuentra el 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 tierra se confunden muy fácilmente con los reflejos de una pequeña masa de agua.
Los espejismos se pueden clasificar como "inferior" (que significa más bajo), "superior" (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 se ve una mancha verde , generalmente durante no más de uno o dos segundos, 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 derivan de 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 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 atraviesan capas de aire de diferentes temperaturas en una fuerte inversión térmica donde se ha formado un conducto atmosférico . [39] Una inversión térmica es una condición atmosférica en la que existe aire más cálido en una capa bien definida sobre una capa de aire significativamente más frío. Esta inversión de temperatura es lo contrario de lo que ocurre normalmente; El aire suele ser más cálido cerca de la superficie y más frío más arriba. En climas tranquilos, una capa de aire significativamente más cálido puede descansar sobre aire denso más frío, formando un conducto atmosférico que actúa como una lente refractiva , produciendo una serie de imágenes tanto invertidas como verticales.
Una 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 los espejismos, vistos a menudo en el Estrecho de Mesina , eran castillos de hadas en el aire, [41] o tierra falsa diseñada para atraer a los marineros a la 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 tremendamente el objeto u objetos en los que se basan, de modo que el objeto a menudo parece muy inusual, e incluso puede transformarse de tal manera que sea completamente irreconocible. Una 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.
A Fata Morgana no sólo es compleja, sino que también cambia rápidamente. El espejismo consta de varias imágenes invertidas (al revés) y erectas (con el lado derecho hacia arriba) que están apiladas una encima de otra. Los espejismos de Fata Morgana también muestran zonas alternadas comprimidas y estiradas. [39]
El efecto Novaya Zemlya es un espejismo polar provocado por la alta refracción de la luz solar entre las termoclinas atmosféricas . El efecto Novaya Zemlya dará la impresión de que el sol sale más temprano 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 (que a veces se denomina "sol rectangular"), formado por formas aplanadas de relojes de arena. El espejismo requiere que los rayos del sol tengan una capa de inversión de cientos de kilómetros y depende del gradiente de temperatura de la capa de inversión . La luz del sol debe doblarse según 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.
El primero en registrar 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 por primera vez el fenómeno, da nombre al efecto. [42]
Los rayos crepusculares son rayos de luz solar casi paralelos que se mueven a través de la atmósfera terrestre, pero parecen divergir debido a la perspectiva lineal . [43] A menudo ocurren cuando objetos como picos de montañas o nubes ensombrecen parcialmente los rayos del Sol como una capa de nubes . Varios compuestos en 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 se pueden ver ocasionalmente bajo el agua, particularmente en áreas árticas, apareciendo en plataformas de hielo o grietas en el hielo. También se ven en los días en que el sol incide sobre las nubes en un ángulo perfecto que brilla sobre la zona.
Hay tres formas principales de rayos crepusculares [ cita necesaria ] :
Se ven comúnmente cerca del amanecer y el atardecer, cuando las nubes altas como los cumulonimbus y las montañas pueden ser más efectivas para crear estos rayos. [ cita necesaria ]
Los rayos anticrepusculares, aunque en realidad son paralelos, a veces son visibles en el cielo en dirección opuesta al sol. 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 realmente son. Por esta razón, navegantes, astrónomos y topógrafos observan posiciones cuando estos efectos son mínimos. Los marineros sólo disparan a una estrella cuando está a 20° o más sobre el horizonte, los astrónomos intentan programar 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: