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Océanos de Ciencia

Los mares y océanos han motivado desde siempre a los científicos. La necesidad de orientarse en un entorno cambiante nos ha hecho mirar al cielo y conocer los astros y sus movimientos, hemos creado instrumentos de navegación en los que se dan la mano arte, ciencia y tecnología, y han tenido lugar grandes expediciones científicas que han cambiado la visión del mundo y de nosotros mismos. De todo ello nos habla Manuel Díez Minguito.

Agua azul, planeta azul.

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Diariamente vemos que el agua que servimos en un vaso para beberla o con la que nos lavamos las manos es transparente. Pero esta visión puede resultar contradictoria con la de una gran masa de agua dulce o salada de color azul, y solemos concluir erróneamente que la vemos azul porque refleja la luz del cielo o porque contiene alguna sustancia disuelta que le da ese color. Pero nada de eso es cierto o, al menos, no es totalmente cierto. En realidad, la vemos azul porque el agua es azul, aunque no siempre lo percibamos así.

Desde que Newton hizo pasar un rayo de luz por un prisma de vidrio, sabemos que la luz blanca que nos llega del Sol, que son ondas electromagnéticas, está compuesta por casi todas las frecuencias (o colores) del espectro visible; es decir, contiene todos los colores del arco iris, desde el violeta hasta el rojo, pasando por el azul, verde, amarillo, naranja.

Cuando la luz blanca incide sobre un objeto, este normalmente absorbe solo un conjunto determinado de colores (o, lo que es lo mismo, de frecuencias). El resto, los colores que no absorbe, los transmite, refleja o dispersa. Por ejemplo, si las hojas de un árbol son verdes es porque absorben todos los colores excepto el verde, que es reflejado y es el que finalmente percibimos con nuestros ojos.

En el caso del agua, y considerando sólo la parte visible del espectro, ésta absorbe principalmente las frecuencias más bajas, que son las asociadas al color rojo y al naranja, mientras que los azules y verdes son transmitidos íntegramente. Por tanto, un rayo de luz que viaja a través de una gran masa de agua queda privado de parte de sus tonos rojos, y será percibido con una tonalidad azul, que es el color complementario del rojo. Una consecuencia curiosa de esto es que los peces y objetos que fuera del agua se ven de color rojo, en el fondo del mar se aprecian como negros. La luz que les llega no posee ya el rojo, absorbido por el agua, y no pueden por tanto reflejarlo. Un buzo vería entonces estos peces u objetos de color negro (absorbe todos los colores que les llegan).

¿Por qué vemos transparente el agua en un vaso? Lo que ocurre es que la absorción del rojo por el agua es muy débil, así que para que nuestro ojo sea capaz de percibirla es necesario que el rayo atraviese una distancia en agua suficiente (les recomendamos el que escuchen también ¿Por qué el agua es transparente y la leche no? de La Ciencia Nuestra de cada Día para ampliar la información). Algunos experimentos muestran que con agua de elevada pureza, su característica tonalidad azul ya se observa cuando la luz atraviesa una columna de agua de 3m. Esto se puede apreciar muy bien cuando nos encontramos en la orilla del mar o de un lago. Justo en la orilla, donde la profundidad es escasa, el agua se ve transparente, de modo que nos permite ver el fondo. Unos pocos metros mar adentro, en cambio, ya es apreciable la coloración azul.

Pero el agua aún nos tiene guardada otra sorpresa. De todos es sabido que es una sustancia especial, con una bien ganada fama de singular; y con respecto a cómo genera su propio color, no iba a ser menos. Efectivamente, el azul intrínseco del agua es el único ejemplo en la naturaleza en el que el color que podemos ver se genera a partir de vibraciones moleculares. Vamos a explicar esto con detalle.

El color tiene su origen, principalmente, en la interacción de la luz con los electrones de las sustancias. Al incidir luz, o lo que es lo mismo radiación electromagnética, sobre un cuerpo, sus electrones son capaces de absorber energía de la radiación incidente. Se dice entonces que los electrones, con más energía que al principio, están excitados. Pero lo importante aquí es que los electrones no absorben cualquier cantidad energía. Solamente pueden absorber energías con frecuencias muy concretas, es decir, solo absorben unos colores muy concretos. Esta absorción es lo que da color al cuerpo en cuestión, pues, como decíamos antes, lo que finalmente vemos es el resto, esto es, la radiación que no ha sido absorbida por los electrones.
Posteriormente, los electrones excitados volverán a su estado fundamental, pero para eso deberán emitir de nuevo la energía previamente ganada. Lo habitual es lo haga emitiendo radiación de baja frecuencia en el rango de infrarrojos, lo que contribuye a calentar el cuerpo.

El color del agua, en cambio, no se genera de esta forma. La radiación incidente absorbida se invierte, sobre todo, en hacer vibrar rápidamente las moléculas de agua, y no en excitar electrones. También en este caso la absorción es selectiva, es decir, no se absorbe cualquier frecuencia: como comentábamos antes, absorbe solo las frecuencias asociadas al color rojo, dando lugar a su característico color azul.
Las moléculas de otras sustancias también pueden vibrar más rápido cuando se hace incidir radiación electromagnética sobre ellas, pero no somos capaces de percibir color alguno por esta razón, pues las frecuencias que absorben están más allá del infrarrojo, ya fuera del espectro visible.

Ya sabemos que la luz transmitida por el agua es azul; pero para que nosotros podamos verla desde fuera del agua es necesario que algo devuelva esos rayos a la superficie. Ese algo es la dispersión. La luz es dispersada en todas direcciones por las partículas que pueda tener en suspensión, por fluctuaciones en la densidad del agua e incluso por las propias moléculas de agua, haciendo que podamos percibirla, en particular, desde fuera del agua. Da la casualidad, además, que las moléculas de agua dispersan el color azul de una forma más eficiente que cualquier otro color (siendo el rojo el que menos), reforzando así el color azul propio del agua.

La creencia popular que atribuye el color del agua al del cielo reflejado en su superficie es, por tanto, falsa; pero tiene una parte de verdad. La superficie del agua refleja una pequeña parte de la luz del cielo superponiéndose al azul propio del agua. Determinar en cualquier situación la contribución del azul del cielo es complicado, pues depende de si hay nubes o no, del ángulo de observación, y de las continuas oscilaciones de la superficie. Pero se estima que en un mar en calma bajo un cielo azul, la contribución del azul del cielo no supera un 2% respecto del color del agua.

No siempre vemos azul el agua. Hay otros factores que afectan nuestra percepción de su color. Por ejemplo, muchos ríos y estuarios presentan un aspecto turbio, predominantemente marrón. Eso es indicativo de que llevan en suspensión una gran cantidad de sedimentos, típicamente limos y arcillas. Una elevada concentración de minerales o metales pesados puede dar color al agua, como en el Río Tinto, en Huelva. Algunos microorganismos también pueden prestar su color al agua. Algas que proliferan hasta alcanzar concentraciones enormes, pueden teñir el agua de verde, blanco, o incluso rojo (de ahí las llamadas mareas rojas). El color en estos casos depende principalmente de los pigmentos dominantes del alga proliferante y de su concentración.

REFERENCIAS

- “The blue sea”. John E. Tyler. The physics Teacher, Vol 5(8), 382 (1967).

- “Why is water blue?”. C.L. Braun and S.N. Smirnov. J. Chem. Educ. 70(8), 612 (1993).

- “The physics and chemistry of color: the fifteen causes of color. Color for science, art and technology” Kurt Nassau.

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- ¿Por qué el agua es transparente y la leche no?

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