Cuando la luz se tuerce.

Cuando hablábamos de la refracción, hablamos de lo que ocurría cuando había una serie de capas sucesivas con índice de refracción creciente: la luz iba cambiando aún más su trayectoria con cada capa que atravesaba.

Pongamos ahora que tenemos muchísimas de estas capas y en cada una se da una desviación muy pequeña. No es difícil ver que de esa forma, tendríamos que la luz sigue una trayectoria prácticamente curva. De hecho sería una curva formada por muchísimas pequeñas rectas. Algo así:

El fondo indica el valor del índice de refracción. Cuanto más blanco, menos índice de refracción (aquí suponemos innumerables capas, muy pequeñas). La curva roja es la trayectoria que sigue la onda en esta situación, mientras que la recta negra muestra la trayectoria rectilínea que seguiría si no hubiera variación del índice de refracción.

Ahora bien, esto puede parecer una idea bonita pero demasiado ideal: parece un poco difícil encontrar en la naturaleza esta circunstancia. Pero lo cierto es que es mucho más frecuente de lo que se pueda pensar a primera vista.

La cuestión ahora es ¿cómo podemos tener muchísimas capas muy pequeñas y que cada una introduce sólo una pequeñísima variación?

Vayamos por partes como dijo Jack el Destripador:

En  primer lugar hay que comentar que en un fluido (un gas o un líquido) concreto, la velocidad de una onda en él depende de la densidad, de forma que cuanto más denso sea ese fluido, menor velocidad tendrá la onda y por tanto, el índice de refracción será mayor. Pero la densidad de un fluido depende de su temperatura. A mayor temperatura menor densidad.

Ahora imaginad un depósito de agua. La parte de abajo del depósito se enfría con un refrigerador, mientras que la parte de arriba se calienta con un calefactor. La cuestión es que el agua de arriba estará caliente y se temperatura disminuirá progresivamente, hasta que al llegar a la parte de abajo estará fría. Esto, se puede resumir como “la temperatura varía a lo largo de la altura” y en física, a esto lo llamamos gradiente de temperatura.

Por tanto, entre los extremos del depósito, hay muchísimas capas, extremadamente finas, cada una de ellas a una temperatura, que es ligeramente diferente al resto de capas cercanas. Así estas capas van siendo cada vez más calientes cuanto más arriba estamos en el depósito. Lógicamente si la temperatura va cambiando con cada capa sucesiva, también lo hará la densidad. Y si la densidad va cambiando con cada capa, significa que la velocidad de la onda cambia y por tanto que lo hace el índice de refracción. ¡Acabamos de generar un medio con índice de refracción variable!

En el gráfico de antes teníamos que la parte de arriba tenía menor índice de refracción, que en este ejemplo sería debido a que está más caliente (más temperatura = menos índice de refracción).

Bien, ahora lo realmente interesante. Si la luz tuerce su trayectoria… veríamos cosas realmente extrañas, pues al mirar en una dirección veríamos cosas que realmente no están ahí, sino, en otro lugar…

(póngase música de suspense  en esta pausa melodramática xD)

Efectivamente acabamos de explicar los espejismos.

En la primera y segunda imagen se trata de un espejismo que ocurre cuando el suelo está muy caliente. Esto provoca que el aire cerca suyo esté muy caliente y según ascendemos esté menos caliente. Como el aire caliente es menos denso, tiene menor índice de refracción (recordad que las ondas en medios de índice de refracción variable siempre se tuercen hacia donde tienen mayor índice de refracción, en este caso, arriba). Por tanto la luz va a curvarse hacia arriba, de la siguiente manera:

Como veis en el gráfico, aparezco yo** mirando en una dirección indicada por al flecha marrón. Pero a mis ojos no llega luz de ese lugar, sino luz que sigue la trayectoria roja. De esta manera, cuando miro a la carretera que hay delante mio, no veo la carretera sino que veo… el cielo. Por eso me da la sensación de que hay agua sobre la carretera y que está reflejando el cielo. Esto es precisamente lo que ocurre en los desiertos: cuando su superficie está muy caliente y uno mira a lo lejos le parece ver que hay agua…

También muy interesante es el efecto de la tercera y cuarta imagen. Este efecto se llama Fata Morgana* y se trata de un espejismo pero a la inversa, debida a una inversión térmica. ¿Qué narices significa eso?. Una inversión térmica significa que la superficie está mucho más fría que el aire. Entonces el aire cerca de la superficie está más frío que el que hay por encima (justo a la inversa de lo habitual).  ¿Qué ocurre en este caso si miramos al horizonte? miremos el siguiente gráfico:

En este caso, yo voy montado en un barco y me da por mirar un poco por encima del horizonte. La línea negra marca la dirección en la que estoy mirando. La fina línea verde vertical marca la distancia máxima que puedo ver desde el barco: mi horizonte. No puedo ver el mar más allá del horizonte, debido a la curvatura de la tierra. Pero este aquí, que como hay una inversión térmica la luz que sale de un lugar un poco más allá del horizonte se tuerce hacia abajo, de forma que llega hasta mi. Sorpresa: al mirar por encima del horizonte feo una extraña zona, que no es más que el mar que hay más allá.

En el caso del barco con su propio reflejo encima es el mismo efecto: miras por encima del barco, y en vez de ver el cielo, ves luz que sale desde el barco hacia arriba pero luego se tuerce hacia abajo.

Hay un último caso del que no tengo fotografías. Es también una inversión térmica, que provoca que se vean… OVNIs. Imaginad que es de noche y estáis mirando hacia una zona con elevaciones. Al otro lado de la elevación, hay una carretera por la que viaja un coche con las luces encendidas. Como hay una inversión térmica la luz que sale de los faros del coche y va hacia arriba, se tuerce, por encima de las elevaciones. Y llega a nosotros que vemos una extraña luz en movimiento por encima de las colinas, a una velocidad que nos parece absurda o imposible, porque esa luz la situamos muchísimo más lejos de lo que en realidad está. Mirad el gráfico:

Aparezco yo de nuevo mirando hacia el cielo y muy sorprendido (la línea negra es la dirección en la que estoy mirando)… y veo una extraña luz. Que no es otra cosa que la luz proveniente del coche al otro lado de la colina.

Pero claro, sin haber leído este post y sin saber lo que hay al otro lado de la colina, es mucho más fácil decir que esa luz en el cielo es una nave extraterrestre o algo por el estilo.

*Fata Morgana: El término, significa en italiano, Hada Morgana. Se refiere, efectivamente a la Morgana de las leyendas artúricas, que tenía poderes sobre la ilusión (se hizo pasar por Ginebra para seducir a Arturo, si no recuerdo mal).

**Se sabe que ese monigote soy yo, por tres razones: Está como un fideo, tiene la cabeza hueca (literalmente) y porque va de negro xDD

Por cierto, querría pediros a todos que me dierais opinión sobre el artículo, pues no sé si lo he hecho demasiado técnico o si he sabido explicarme adecuadamente. Quiero mejorar post a post y para ello necesito vuestras impresiones.

Nota: Este es un post con fotos chulas y curiosas, pero como soy malo antes suelto la explicación. Esto tal vez puede parecer un poco contraproducente para atraer a lectores (lo lógico debería ser lo contrario), pero lo cierto es que me gusta plantearlo de estar manera ya que cualquiera que comience a leerlo pensará: «vaya retaila de cosas inútiles», pero si tiene la paciencia de llegar hasta lo interesante, la sensación que quedará será: «aunque a primera vista parecía inútil al final resultó ser realmente interesante y con unas posibilidades que no me había planteado. Moraleja: Aunque parezca sólo una rareza científica sin ninguna utilidad ¡Dale una oportunidad!

Fuentes:

Polarimage.fi (una web realmente genial con fotos y vídeos de todo tipo de efectos ópticos, vale la pena echadle un vistazo) A esta web pertenecen las imágenes de Fata Morgana.