Entrevista del mes: Les Cowley (Óptica Atmosférica)

Atmospheric Optics - http://www.atoptics.co.uk/
Imagen óptica del día – http://www.atoptics.co.uk/opod.htm
Entrevista de marzo de 2010. Recuperada en diciembre de 2012.
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La Óptica Atmosférica aborda los fenómenos ópticos que vemos en el cielo, pero hoy en día también abarca el vasto campo del color y los efectos de luz que ocurren en todos los sitios en la Naturaleza. Los arco iris son el mejor ejemplo conocido. Los “soles falsos” (sundogs en inglés) debidos a la presencia de cristales de hielo son otro. Vemos glorias, arcos blancos en la niebla y coronas con colores alrededor de la luna. Hay algunos otros que explicar; espejismos, el color de las nubes y del mar, los aspectos cambiantes del crepúsculo, los rayos a través del cielo cuando tenemos erupciones volcánicas… Otros ejemplos son el aspecto de las burbujas mientras fregamos los platos, patrones de luz sobre la superficie del mar o de una piscina, las iridiscencias del ala de una mariposa o las tonalidades plateadas de un pez –la lista es interminable.

Por lo tanto, tiene mucho de estudio interdisciplinar. Más allá de las explicaciones de cómo se producen esos efectos, puede ser muy provechoso en cursos educativos. Los efectos ópticos en el cielo son mínimamente (¡demasiado mínimamente!) mencionados durante la carrera de Meteorología. Ayudan a tener una buena base en ciencias físicas. En Internet hay quizás del orden de un centenar de investigadores y cada 3 años nos juntamos en un congreso. La mayoría son físicos y matemáticos. Hay unos cuantos meteorólogos y nos gustaría que hubiera más. Hay también un químico físico -¡yo mismo!

Pero mire, no quiero dar la impresión de que la Óptica Atmosférica es algo restringido al mundo académico que únicamente puede ser abordado por parte de postgraduados, haciendo uso de unas potentes matemáticas. No es eso. La belleza del cielo está ahí para todos. Cualquiera puede apreciar esos efectos ópticos. Hay literalmente miles de personas repartidas por todos los países, que dedican parte de su tiempo a observar los cielos, a fotografiarlos y a mostrar lo que ven en ellos. ¡Intente Vd. también atraparlos!

Históricamente, la mayor parte de los investigadores se han dedicado a los halos. Hay muchas variedades y ha sido necesario un gran esfuerzo para explicarlos todos. La primera dificultad fue entender qué es los que los provocaba. El gran Christiaan Huygens sugirió hacia 1662 que las partículas de hielo de las nubes eran las responsables, y posteriormente tuvo la revolucionaria idea de pensar que ellas debían de estar orientadas de determinada manera para producir los halos. El que minúsculos cristales de hielo estén orientados de forma precisa en las nubes es algo difícil de concebir todavía en la actualidad. Él pensó que se trataba de cilindros y esferas de hielo, una idea que se mantuvo hasta 1807, en que se estableció que se trata en realidad de prismas y placas hexagonales.

Fue un trabajo matemático heroico el que permitió predecir, en la primera mitad del siglo XX, las formas de los halos. El punto de inflexión ocurrió en la década de 1970, cuando fue usado por primera vez el trazado de rayos por ordenador para demostrar las teorías de la formación de halos. El halo captado en California que aparece en la imagen inferior puede simularse mediante un ordenador actual en pocos minutos. Dicha simulación nos permite conocer el número exacto de rayos que atraviesan los cristales y que dan lugar al arco. Gracias a estos modelos matemáticos podemos experimentar cambiando las formas y la disposición de los cristales. El trazado de rayos también revela la existencia de arcos extras, que han de ser buscados en el cielo para confirmar una hipótesis de formación dada.

La investigación de los halos es muy activa. Los finlandeses se reservan el descubrimiento de nuevos halos. Ellos han sido los primeros en reemplazar el sol por lámparas de gran intensidad y generar magníficamente un halo nocturno definido. En la imagen de debajo observamos, gracias a una de estas lámparas, unos halos extraños que normalmente se localizan en el lugar contrario al sol, siendo extraordinariamente difíciles de observar en detalle.

Un halo, el arco Moilanen, hace ejercitar la mente de los investigadores. Sabemos que las caras de un cristal de hielo inclinadas 34º respecto a las otras pueden generarlo, pero eso es todo lo que sabemos. No se encuentran cristales que cumplan ese requisito, ni individuales ni emparejados, lo que hace muy difícil su comprobación.

Los trayectos de algunos rayos a través de los cristales de hielo son equivalentes al paso a través de un prisma, en que la luz blanca del sol se dispersa en los colores que la componen. Otros rayos, como los del círculo parhélico, son similares a los que atraviesan una plancha de caras paralelas. Esos rayos no se dispersan y lo que vemos es un halo blanco.

El decano investigador de halos, Dr. Robert Greenler, ha calificado la investigación de manifestaciones antiguas de halos como “Arqueología celeste”. Muchas antiguas observaciones del cielo han sido analizadas en detalle en términos de sus componentes en forma de halo. Las visiones de la abadesa Hildegard von Bingen han sido analizadas, como las que tuvo de San Juan de Patmos.

Todavía encierra algunos misterios. Uno de ellos es cuando un arco iris se divide súbitamente en dos arcos gemelos pegados el uno al otro. Mucha gente ha visto esto pero es difícil obtener buenas imágenes del fenómeno, ya que dura tan sólo unos pocos segundos.

Teóricamente, una mezcla de pequeñas gotas de lluvia esféricas y grandes gotas no esféricas podría explicar los arcos iris gemelos. Es demasiado fácil, no obstante. ¿Por qué aparecen dos arcos muy limpios y distintos tipos de gotas de lluvia?, ¿son las formas de las gotas requeridas físicamente realistas?, ¿tienen lugar realmente?, ¿cómo podemos explicar las franjas supernumerarias simultáneas? Hay muchas cuestiones abiertas.

Esos arcos se sitúan en torno al sol en vez de en el lugar contrario de la mitad del cielo donde se sitúan los arcos iris primario y secundario. Pueden ser vistos bajo condiciones especiales de laboratorio, pero dudo mucho que puedan verse en el cielo. El deslumbramiento del sol y de otros rayos procedentes de las gotas los obscurece.

En la figura he incluido los seis primeros arco iris mediante el trazado numérico de 500 millones de rayos atravesando una gota de agua. A la derecha, han sido eliminados los rayos de cero, primer y segundo orden. Sólo podemos ver los tenues arcos de orden superiores. ¡Observa qué anchos son! Su débil luz se extiende a lo largo del cielo. Es interesante comprobar cómo hay más posibilidades de ver el arco iris de quinto orden que el terciario y el cuaternario, ya que surge en el hueco entre el arco iris principal y el secundario.

Hay un buen libro, titulado “The Sun Kings” (“Los reyes del Sol”), donde se habla de las grandes tormentas solares de 1859. Aquel año fueron vistas auroras desde las Bahamas y todavía más al sur, en San Salvador, a 13ºN.

La dificultad o facilidad de observación depende de donde estés. En la costa californiana puedes ver un destello verde varias veces en una semana en varias ocasiones a lo largo del año. En la siguiente secuencia de imágenes tomadas desde San Francisco podemos ver el más raro destello azul.

Los destellos requieren de fuertes y anormales gradientes de temperatura. El clásico rayo verde de Jules Verne requiere de un aire cálido apoyado sobre el océano o la tierra. Un segundo tipo, el destello del espejismo imaginario, requiere una fuerte inversión de temperatura. Todos los destellos son espejismos y podemos ver los colores brillantes debido a que el espejismo extiende en la vertical la pequeña dispersión de color que tiene lugar en el limbo solar.

De ese modo, es relativamente fácil ver destellos al atardecer sobre océano calentado por el sol. Como también lo es bajo “condiciones de California”; aire enfriado por una corriente oceánica sobre la que discurre aire cálido procedente de tierra. La presencia del mar no es esencial; basta con tener un bajo horizonte hacia el oeste para poder observar destellos verdes. Los destellos azules requieren aire excepcionalmente claro y libre de polvo. Los destellos verdes, en contra de muchas creencias, no necesitan en particular cielos despejados.

Los segundos soles por encima o por debajo del sol “real” son espejismos producidos por las mismas condiciones que las que dan lugar al destello verde. De hecho, un sol distorsionado puede ser un signo de que es inminente un destello verde.

A menudo envío imágenes de “soles” a la derecha o izquierda del sol real. Son reflejos en la lente de la cámara o en el cristal de la ventana. Hay una regla de oro –toma tres o cuatro imágenes de un fenómeno extraño con una cámara. Si el objeto extraño es exactamente el mismo en todas las imágenes y tú le has visto directamente con el ojo, entonces puede ser real.

Los fenómenos ópticos no son más frecuentes. El que puedan aparecer, puede ser debido a que mucha más gente tiene cámaras digitales, más gente observa el cielo regularmente y sus fotografías aparecen en Internet muy rápidamente. La excepción son las nubes noctilucentes (NLCs). Con una alta probabilidad están aumentando de frecuencia y apareciendo en latitudes más bajas. La imagen inferior fue tomada en Hungría, un lugar inusualmente sureño para las nubes NLCs.

Son diferentes fenómenos pero pueden aparecer jun tos. El Espectro de Brocken (llamado así por los montañeros de la montaña Brocken en Alemania que informaron por primera vez de él) es una, en apariencia, grande y fantasmagórica figura que surge sobre la cresta de una montaña.

Se trata de tu propia sombra proyectada por el sol a través de la neblina o niebla. El montañero ve a menudo la cabeza del “espectro” rodeada por varios anillos coloreados. Lo que recibe el nombre de Gloria. Se trata de un fenómeno de difracción de onda, en el que las minúsculas gotitas de una niebla envían la luz del sol hacia atrás, en la dirección de donde vino. Puedes ver ambos fenómenos desde un avión (¡o desde un globo!) mirando hacia abajo sobre las nubes. En este caso, la gran sombra de Brocken es reemplazada por la del globo o el avión.

¿Qué entendemos por práctico? Ello no nos va a proporcionar mejores lavadoras o iPods. En lugar de eso, puede ayudar a fomentar una mejor visión de la Naturaleza, estética, y de cómo trabaja la ciencia. En la actualidad, debería ser considerada una más urgente necesidad a corto plazo. Con la vista atrás, pensemos en el trabajo del filósofo francés René Descartes. En la década de 1630 fue el primero en explicar correctamente cómo se forman los arcos iris. La primera vez que se abordó la cuestión fue para hablar de “reflejos” en el cielo según la manera de pensar aristotélica. Descartes usó las matemáticas para hacer predicciones cuantitativas de cómo los rayos pasaban a través de las gotas de lluvia. Actuando de esa manera ayudó a establecer los métodos de la moderna fisica matemática que nos permite demostrar y comprender el Universo –lo contribuye como beneficio indirecto al desarrollo de las lavadoras y los iPods.

Tengo la certeza casi absoluta de que hay arco iris en otros mundos. Desde un punto de vista filosófico, ¡sólo puede haber arco iris donde haya ojos y cerebros para verlos! Los arco iris, lo mismo que la mayor parte de los fenómenos ópticos atmosféricos, no tienen una existencia material; son agrupaciones de rayos de luz sin más. Dejando a un lado lo anterior, algunos arco iris podrían ser exóticos. Por ejemplo, en la luna de Saturno Titán, podrían generarse no a partir de gotas de agua, sino de chubascos de metano y etano líquido. En la parte más externa de la atmósfera de Júpiter podrían generarse algunos arcos debidos a la lluvia química que allí tiene lugar y que nosotros no llegamos a experimentar.

Los halos “de hielo” pueden ser vistos en algún lugar más que en la Tierra. A finales de la década de 1990, Michael Schroeder, en Maine, y yo trabajamos en la predicción de los halos que podrían verse en los cielos marcianos, a la altura donde hay nubes altas del género cirrus compuestas por cristales de dióxido de carbono sólido más que de agua helada. Para verlos y medirlos tuvimos que conversar más sobre la atmósfera de Marte. Increíblemente, se nos ofreció la oportunidad de observarlos usando un tiempo de cámara de la nave espacial Mars Polar Lander que había sido preparada para el lanzamiento. ¡Fue un querer y no poder! Después de su largo viaje por el Sistema Solar, la nave quedó destruida durante los últimos metros de su largo periplo. En la imagen inferior se han representado por ordenador unos halos de CO2 en un imaginario paisaje marciano. ¡Algún día veremos los de verdad!

La página web nació casi accidentalmente tras la debacle marciana. Michael Schroeder y yo habíamos hecho un programa de trazado matemático de rayos para predecir los halos marcianos y nos pareció útil hacer una versión final disponible libremente para otros. En 1998, yo, por lo tanto, di de alta un pequeño sitio web desde el que el programa –ahora llamado HaloSim–, podía descargarse. Tenía 10 páginas con descripciones de los halos y unas cuantas simulaciones.

Posteriormente, ocurrió algo inesperado. Empecé a recibir fotografías maravillosas de halos y de otros fenómenos ópticos. Aquellos eran los días en que las cámaras digitales empezaban a estar disponibles por un número creciente de personas. Por primera vez, este tipo de fenómenos podían ser capturados sin necesidad de ser filmados y luego revelados. Como consecuencia de esto, las imágenes podrían ser fácilmente mostradas. Previamente nosotros teníamos sólo unas cuantas fotografías en uno o dos libros.

Las fotos se fueron subiendo al sitio y éste empezó a crecer desde ese momento. Pero no una galería de fotos en sentido estricto, hay sitio para que con ayuda de las palabras se explique lo que puede ser visto en el cielo, explicar cómo se genera el fenómeno y mostrar cómo la ciencia puede ayudarnos a apreciar la Naturaleza. Hay un poema muy citado de kyats en el que se la lamenta que la belleza del arco iris fue destruida por la explicación científica de éste. Es muy duro. A mi entender, la magia del mundo se enriquece y profundiza gracias al entendimiento científico de lo que ocurre a nuestro alrededor.

Algunos de los efectos ópticos cotidianos, aparentemente simples, son los más difíciles de explicar. ¿Por qué la sombra de su cabeza se contrae al situarse cerca de la de un poste de telégrafo? ¡Me ha llevado mucho tiempo encontrar una explicación satisfactoria del fenómeno y todavía más tiempo llevarla a la página web! Algunos otros efectos, como los colores de una tela de araña no tiene todavía una explicación.

Con todo, el sitio web tiene ahora 11 años y tiene un joven vástago en ‘Optics Picture of the Day’. Entre ambas reciben alrededor de 10.000 visitas al día, pero esto no es importante. Lo más gratificante es que te digan desde un colegio que están usando el sitio para enseñar, o que un lector gracias a la página se anime a buscar un halo por primera vez y que llegue a convertirse en un entusiasta observador. Para el número cada vez mayor de personas que aprecian la belleza de los cielos, la Óptica Atmosférica está viva y bien.

Agradecemos a Les Cowley la gentileza que ha tenido hacia los lectores de la RAM, por haber respondido de forma entusiasta y enormemente didáctica a nuestras preguntas.