Respuestas sorprendentes a preguntas cotidianas
19. Piénsalo, ¿por qué la espuma es siempre de color blanco?
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CAPÍTULO
19
Piénsalo, ¿por qué la espuma es siempre de color blanco?
Tu casa. Interior. Noche. Tu invitado es un poco gorrón y se está quedando más tiempo del que te gustaría. Aun así, le traes la cerveza que te había pedido porque eres un buen anfitrión, y, al verterla, una masa de espuma se expande violentamente hacia el cielo hasta que desborda el vaso, y tu invitado, indignado, te empieza a dar una larga lección sobre el ángulo óptimo en el que debes colocar la botella para verter la bebida. Pero, aunque el monólogo está entrando por tus orejas, tú no escuchas nada porque tu atención está centrada en algo mucho más importante: acabas de reparar en que la cerveza es de color amarillo, pero la espuma que produce es blanca.
Corte al día siguiente. Interior. Día. Hace mucho calor y te apetece tomarte un refresco frío. Vas a la nevera y coges uno de esos populares refrescos carbonatados oscuros. Resulta que la lección de geometría que te dio tu amigo no es aplicable a todas las bebidas, y tu vaso se vuelve a convertir en un océano de espuma que acaba rebosando y manchando la encimera. Pero, en lugar de limpiar el desastre, vuelves a quedarte absorto mirando el vaso: la espuma vuelve a ser blanca, aunque ese refresco de marca indeterminada sea oscuro y opaco. Inquieto, empiezas a poner a prueba todos los líquidos que encuentras por tu casa para comprobar el color de la espuma que producen. Coges un vaso y lo llenas violentamente de refresco de naranja. La espuma que se forma es blanca. Metes jabón verde en un vaso de agua transparente y lo agitas, produciendo espuma que también es blanca. Sacudes la botella del líquido limpiacristales azul: más espuma blanca. ¿La espuma de la cerveza negra? Blanca. ¿La espuma de afeitar? Blanca.
Te empiezas a asustar. ¿Qué clase de conspiración es esta? ¿Por qué todas las espumas son blancas? ¿Qué está queriendo decir el universo? Necesitas un respiro. No puedes soportar ver más espuma. La única bebida que podrá calmar tus nervios es un batido de fresa que hay en la nevera. Viertes el batido en un vaso y ves cómo se desliza hacia el fondo perezosamente sin formar espuma. Respiras con tranquilidad, todo ha pasado. Buscas una pajita para beberte el batido y te sientas en el sofá, aliviado. Pero, cuando creías que todo había pasado, enciendes la tele y la pantalla se ilumina con la imagen de unas cascadas majestuosas de agua pura y transparente que están produciendo grandes cantidades de espuma blanca. El sobresalto que te produce la imagen es tal que, en lugar de sorber a través de la pajita, te equivocas y soplas con fuerza. Esperas a que las burbujas que se han formado accidentalmente lleguen hasta la superficie del batido de fresa durante una fracción de segundo que se hace eterna, pero, cuando por fin emergen, te das cuenta de que la espuma que producen es de color... ¿Rosa?
Algo se rompe en tu interior. ¿Qué significa esto? ¿Qué clase de Dios malvado se está riendo de ti? Caes de rodillas al suelo y empiezas a maldecir al cielo en medio de tu salón. Cada uno de tus doce gatos te mira extrañado.
Por supuesto, aunque esta situación es ficticia, es posible que mucha gente se sienta identificada con ella. Al fin y al cabo, ¿quién no ha vivido atormentado durante años porque no entendía por qué casi todos los líquidos que nos rodean producen espuma de color blanco?
Hombre, no creo que ninguno de nuestros lectores se lo tome tan a pech...
Pues a partir de hoy no tendrán que preocuparse más, porque vamos a resolver esa duda ahora mismo: el culpable de que la espuma sea casi siempre blanca es un fenómeno llamado dispersión.
¿La dispersión? ¿Y qué es lo que se dispersa?
La luz, voz cursiva. Hasta ahora hemos visto que los electrones son capaces de reflejar o absorber diferentes colores en función de cómo estén estructurados alrededor del núcleo de cada elemento, lo que significa que el color de una sustancia depende principalmente de los diferentes elementos que la componen y cómo están unidos. En cambio, la dispersión es un fenómeno que no depende únicamente de las propiedades químicas del material con el que la luz interacciona, y que..., bueno, que dispersa la luz. O, dicho de otra manera, que cambia la dirección en la que cada rayo de luz se está propagando.
Creo que los metales de los que he hablado en el capítulo anterior nos pueden ayudar a entender de qué va este fenómeno. Voz cursiva, cuando he comentado que los metales reflejan toda la luz que incide sobre ellos, ¿no has notado nada extraño en esa afirmación?
¡Ostras, sí! ¡Antes se me ha olvidado preguntártelo! Si los metales reflejan toda la luz que incide sobre ellos, ¿entonces por qué no todas las superficies metálicas nos parecen espejos?
Gracias, a eso me refería: por muy lisa que nos parezca, la superficie de un metal siempre está cubierta de irregularidades microscópicas que no somos capaces de percibir. Estas irregularidades son pequeños bultos, valles y grietas orientados en muchas direcciones diferentes. Así que, cuando la luz incide sobre un trozo de metal, todas esas imperfecciones desvían cada rayo hacia un lugar distinto, y la imagen reflejada pierde toda la coherencia (este fenómeno es lo que se llama reflexión difusa).
Ahora bien, si pulimos concienzudamente la superficie del metal hasta conseguir que todas esas irregularidades diminutas desaparezcan, entonces todos los rayos de luz que incidan sobre ella rebotarán en un ángulo similar y conservarán sus posiciones relativas cuando lleguen hasta nuestros ojos. De esta manera, el reflejo mantiene la coherencia de la imagen original y nos veremos reflejados en la superficie metálica. En este caso estamos hablando de una reflexión especular.
Entonces, ¿los espejos están hechos de metal pulido?
Bueno, lo estaban en la antigüedad. El problema es que, para que la superficie pueda reflejar las imágenes con una calidad aceptable, las irregularidades deben ser inferiores a la escala de la longitud de onda. Un pulido tan preciso es muy difícil de conseguir, así que, con el tiempo, la gente se dio cuenta de que la mejor manera de fabricar un espejo es depositar una fina capa de plata o de aluminio sobre una lámina de vidrio a través de un proceso químico. Eso sí, antes de que empieces a desmontar espejos de plata pensando que te harás millonario, ten en cuenta que la película que se deposita sobre el cristal es tan fina que solo se usan unos 1,5 gramos de plata por cada metro cuadrado de espejo.1 Teniendo en cuenta que el precio de este metal rondaba los 0,43 euros por gramo a principios de 2019 y que habría que separarlo de la capa de pintura y la de cobre que la protegen de la corrosión, creo que es mejor que dediques tus esfuerzos a una actividad más rentable.
Pero bueno, ya me he ido por las ramas. La dispersión también es el fenómeno que produce otros efectos ópticos curiosos, como los «pilares» de luz que a veces se ven a través de las ventanas o de las nubes: en este caso, la superficie de las partículas en suspensión que hay en el aire reflejan en todas las direcciones los rayos de luz que inciden sobre ellas y desvían parte de esa luz hacia nuestros ojos, dando la impresión de que está siendo emitida por todo el volumen de esa columna invisible.
De hecho, este tipo de dispersión también se puede observar en las películas, cuando un ladrón esparce algún tipo de polvo en el aire para detectar los típicos rayos láser del sistema de seguridad. En condiciones normales, el haz del láser es invisible porque su luz está focalizada en una dirección muy concreta y no llega hasta nuestros ojos, pero si se interpone una nube de polvo en su trayectoria, la superficie de todas esas pequeñas partículas refleja y dispersa la luz en todas las direcciones, desviándola hacia las retinas de quien no esté directamente frente al haz y revelándole la trayectoria que la luz sigue por el aire.
Hagamos un inciso. Mientras escribía este párrafo me estaba preguntando si los sistemas de seguridad de los museos y los bancos realmente utilizan este tipo de laberintos láser. Por lo que he podido averiguar, aunque la tecnología existe, es mucho más fácil, barato y efectivo utilizar simples detectores de movimiento infrarrojos, así que dudo que los sistemas láser, como los de las películas, se usen en la vida real. Y, si se usan, seguramente sean láseres infrarrojos que el ojo humano no puede detectar, por mucho polvo que se disperse en su camino. De hecho, he encontrado un documento que parece oficial, y que tiene el maravilloso título de «Prácticas sugeridas para la seguridad de los museos, basadas en las adoptadas por el Museo, Biblioteca y Consejo de Propiedades Culturales de ASIS International y el Comité de Seguridad de la Asociación de Museos de la Asociación Americana de Museos»,2 pero no aparece ningún consejo del estilo «Cada museo debería tener un intrincado sistema de laberintos láser en sus pasillos».
En cualquier caso, la dispersión que producen tanto los metales como las motas de polvo tiene una causa puramente geométrica: cuando la luz incide sobre estos objetos, las irregularidades de su superficie hacen que sus rayos reboten en muchas direcciones diferentes. Ahora bien, existen otros procesos menos «mecánicos» que también dispersan la luz... Y uno de ellos es el responsable de que el cielo sea azul.
Hasta ahora hemos visto que cada color está asociado a una longitud de onda de la luz, y que la velocidad a la que vibran los átomos puede aumentar si incide sobre ellos un rayo de luz con la longitud de onda adecuada. Además, como he comentado en el capítulo 16 cuando hablaba sobre la incandescencia, un átomo que vibra a gran velocidad es capaz de emitir ondas electromagnéticas, o, lo que es lo mismo, producir luz.
Si unimos estos dos fenómenos, nos podemos hacer una idea de cuál es el mecanismo que tiñe el cielo de azul: los tonos azules y verdosos que contiene la luz blanca del sol son capaces de hacer que las moléculas de gas que contiene el aire vibren más deprisa y produzcan ondas electromagnéticas del mismo color. Pero, claro, en lugar de dirigir la luz verdosa y azulada en la dirección original que seguía cada rayo de luz, esas moléculas la emiten en todas las direcciones como si fueran pequeñas bombillas. O sea, que el cielo es azul porque, miremos a donde miremos, en esa dirección siempre habrá moléculas de gas desviando el color azul de los rayos de luz del sol hacia nuestros ojos (este fenómeno particular se llama dispersión de Rayleigh).
¿Y qué les pasa a las tonalidades de la luz que el aire no dispersa, como el rojo y el amarillo?
Esos colores alcanzan el suelo siguiendo su trayectoria recta original y no llegan hasta nuestros ojos a no ser que nos encontremos directamente en su camino. De hecho, si las moléculas de gas de la atmósfera también dispersaran estas longitudes de onda de la luz solar en la misma medida que el azul y el verde, entonces el cielo no sería azul, sino blanco.
A eso quería llegar: llevas un rato diciendo que la luz solar es blanca, pero a mí me da la impresión de que tiene un tono más bien amarillento.
Buen apunte, voz cursiva. Si alguna vez has mirado directamente al Sol (cosa que no recomiendo), habrás notado que su luz es un poco amarillenta. Esto ocurre precisamente porque la luz solar pierde parte de sus tonalidades azuladas y verdes mientras pasa a través de la atmósfera, de modo que, cuando llega a nuestros ojos, parece un poco amarillenta. Esta pérdida de colores azules y verdes se acentúa aún más al atardecer. En este caso, la luz solar tiene que recorrer una distancia más larga a través de la atmósfera para llegar hasta nuestros ojos, de modo que pierde una mayor cantidad de luz verde y azul, y el cielo adopta tonos anaranjados y rojizos mientras el Sol desaparece tras el horizonte.
O sea, que esa tonalidad amarillenta de la luz solar es una «ilusión» producida por nuestra atmósfera: si observas el Sol desde el espacio, su luz te parecerá completamente blanca porque no habrá sido dispersada por ningún gas antes de llegar hasta tus ojos.
Vale, puedo llegar a creerme esa milonga. Pero si el aire es azul, ¿por qué el gas que tenemos más cerca nos parece totalmente transparente?
Porque la cantidad de luz que emite cada molécula al vibrar es minúscula, voz cursiva, así que se necesitan una masa de aire muy espesa para poder observar esa tonalidad.
De hecho, a modo de experimento, puedes aprovechar la próxima vez que estés rodeado de montañas que se encuentran a diferentes distancias para fijarte en que las que están más lejos tienen un color más azulado que las que se encuentran más cerca. Esto se debe precisamente a que la «barrera» de aire que nos separa de los objetos más lejanos es más gruesa, por lo que dispersa más luz solar, y la cantidad de azul que llega hasta nuestras retinas desde esa dirección es mayor.
Qué curioso. ¿Y qué más?
¿Cómo que «qué más», voz cursiva?
Hombre, has dicho que ibas a proponer un experimento y lo único que has dicho a los lectores es que se vayan a mirar montañas. ¿Acaso ese era el experimento?
Sí, no sé... A mí me parece que es una experiencia bastante interesante.
No digo que no, pero de ahí a llamarlo experimento...
La cuestión es que existen otros tipos de dispersión que alteran el color de las cosas que nos rodean, y un buen ejemplo de este fenómeno es el agua.
Te propongo otro experimento: coge un vaso y llénalo de agua. Si las cañerías de tu casa están en buen estado, podrás observar que el líquido que has metido en el vaso es completamente transparente.
¡¿Quieres dejar de llamar experimento a cualquier cosa?!
¡Estamos rodeados de ciencia, voz cursiva! Lo que quiero señalar es que no deja de ser curioso que una sustancia aparentemente transparente como el agua produzca espuma y nubes blancas y, al mismo tiempo, tiña el mar de color azul... Pero, de nuevo, la causante de la aparición de estos colores es la misma: la dispersión de la luz.
Por ejemplo, parte del motivo por el que el agua es azul es que esta sustancia tiene la tendencia de absorber las tonalidades rojizas y anaranjadas de la luz con más intensidad que las azuladas, así que los rayos de luz que penetran en el agua se van volviendo más azules a medida que la distancia que recorren a través de ella aumenta y pierden el resto de los colores.3 Ahora bien, como ocurre con el aire, las moléculas de agua también tienen la tendencia a dispersar la luz azul. Y, de hecho, puedes ver en acción esa dispersión con este sencillo experimento veraniego.
Ponte unas gafas de bucear, sumérgete bajo el agua y mira a tu alrededor. Si el agua no dispersase la luz solar, los rayos pasarían a través de ella sin verse alterados y serían absorbidos poco a poco con la profundidad, hasta que su energía se disipara, así que, al sumergirte, lo que verías sería una capa de agua transparente cerca de la superficie que se iría volviendo cada vez más opaca con la profundidad, hasta adoptar una tonalidad azul oscura. Pero eso no es lo que ocurre en la vida real, porque, como habrás notado si alguna vez has buceado en un mar lo bastante limpio, al sumergirnos observamos la misma tonalidad azulada en cualquier dirección que miremos, y, además, el color se va volviendo más intenso y oscuro con la profundidad. Y esto ocurre precisamente porque cada molécula de agua que nos rodea dispersa y desvía la luz azulada de los rayos de sol en todas las direcciones, como si cada una fuera una pequeña bombilla que...
¡Deja de intentar colar actividades diarias como si fueran experimentos!
Tienes razón, voz cursiva, ya me estoy excediendo. Puedes replicar este fenómeno por tu cuenta de una manera más «científica» sellando los dos extremos de un tubo de PVC de varios metros de longitud con algún material transparente y llenándolo de agua. Entonces, si colocas una fuente de luz blanca en uno de sus extremos, la luz que saldrá por el otro extremo tendrá una tonalidad mucho más azulada que la original, porque el resto de los colores habrán sido absorbidos por el agua durante su camino a través del tubo. Y, si no tienes ganas de hacer este montaje, te dejo el enlace a un vídeo de mi canal de YouTube en el que hice este experimento.4
OK, pero, si el agua absorbe los colores rojizos y deja pasar los azules, ¿eso no significa que las nubes no deberían ser también azules?
Buena pregunta, voz cursiva. El agua de las nubes interacciona con la luz de manera distinta a la del mar porque no son grandes masas continuas de líquido, sino aglomeraciones de diminutas gotas en suspensión. Como resultado, lo que tiñe las nubes de blanco es un fenómeno basado en la refracción llamado dispersión de Mie:5 cada una de las diminutas gotas de agua que hay en las nubes refracta los rayos de luz solar blanca que entran en ella y los desvía de su trayectoria original. Por tanto, aunque todos los rayos de sol penetran en la nube en la misma dirección, cada uno acaba saliendo de ella en una dirección distinta, porque entran en contacto con miles o millones de gotas de agua que desvían su trayectoria una y otra vez durante el camino. O sea, que las nubes son blancas porque desvían los rayos de luz que entran en ellas y los emiten en todas las direcciones.
Siguiendo esa lógica, ¿esas gotas de agua no deberían absorber las tonalidades rojizas y naranjas de la luz, tiñendo las nubes de azul?
No, no, porque, aunque un rayo de luz interactúa con una gran cantidad de gotas mientras atraviesa una nube, la cantidad de agua total que representan es demasiado pequeña como para que esa absorción preferencial de las tonalidades azuladas sea perceptible en la luz que consigue salir de ella.
Pues bien, resulta que el color blanco de la espuma tiene una causa parecida a la del color de las nubes. De hecho, puede que alguna vez hayas notado que la espuma de color blanco suele ser la que presenta las burbujas de menor tamaño y que las más grandes suelen ser transparentes. Por tanto, es posible que hayas deducido que el color de la espuma está relacionado con el tamaño de las burbujas... Y estarías en lo cierto: cada una de las miles de pompas minúsculas que componen la espuma refracta los rayos de luz en direcciones distintas, así que la luz blanca también acaba saliendo de la espuma en todas las direcciones, sin que ninguno de los colores que contiene sea absorbido.
O sea, que el motivo por el que muchos líquidos de diferentes colores producen espuma blanca es que el color de la espuma tiene más que ver con el tamaño de sus burbujas que con la composición del líquido que las produce.
¿Y qué pasa con los líquidos que no forman espuma de color blanco?¿Qué hay de la espuma rosa de los batidos de fresa? ¿Y por qué la espuma de esa bebida carbonatada oscura no es completamente blanca, sino que tiene un leve tono marrón? ¿Eh?
Calma, voz cursiva, por favor. Hay casos particulares en los que la espuma termina teñida de colores distintos en función de las características de las burbujas y del líquido en cuestión. Por ejemplo, es posible que ciertos líquidos produzcan burbujas que son demasiado grandes como para que dispersen la luz de manera eficiente o que absorben mejor ciertas longitudes de onda de la luz visible porque tienen las paredes más gruesas. La verdad es que no he encontrado una explicación exacta, pero, teniendo en cuenta cómo funcionan los mecanismos de dispersión que he mencionado, sospecho que por ahí van los tiros.
Entiendo. Pues estoy hasta las narices de que la refracción y la dispersión nos roben el color de las cosas. Imagina un mundo donde el cielo fuera completamente oscuro y las nubes resplandecieran de color azul al ser iluminadas por el Sol. Un mundo donde la espuma del mar fuera transparente como una esponja hecha de cristal. Un mundo en el que la espuma amarilla de la cerveza...
Para el carro, voz cursiva. A mí no me llama demasiado la atención vivir en un mundo con esa paleta de colores, pero, de todas maneras, te equivocas en una cosa: la dispersión de la luz también es capaz de crear colores muy vivos.
El ejemplo más claro es el arcoíris, un fenómeno que aparece cuando la luz blanca del sol pasa a través de las gotas de agua de lluvia, y el agua refracta y refleja cada uno de sus colores en un ángulo ligeramente distinto según su longitud de onda, de modo que las cortas (azules) salen de cada gota en un ángulo más cerrado respecto al que habían entrado que las largas (rojos). Gracias a este mecanismo tan sencillo, la lluvia es capaz de desplegar ante nosotros todo el abanico de colores que contiene la luz solar blanca y que nuestro cerebro no nos deja apreciar en condiciones normales.
Ahora bien, los arcoíris solo aparecen si la luz del sol entra en las gotas de agua en un rango de ángulos determinado, y, de hecho, es imposible observar un arcoíris si nuestra estrella se encuentra más de 42 grados por encima del horizonte, por muy favorables que sean el resto de las condiciones meteorológicas.6
Qué curioso. Pero, entonces, si viviéramos en un universo en el que el agua refractara todos los colores de la luz en el mismo ángulo, ¿podríamos ver arcoíris de color blanco?
Exacto, voz cursiva, pero no te tienes que mudar a otro universo para ver «arcoíris» blancos, porque estos fenómenos a veces aparecen alrededor de la Luna cuando está llena o casi llena.
Eso sí, hay que decir que el color blanco de estos arcoíris es un efecto óptico, porque contienen los mismos colores que un arcoíris normal, pero su luz es tan tenue que no activa los receptores de color de nuestros ojos, y nuestros cerebros interpretan que es blanca.7
En cualquier caso, también hay muchos organismos vivos que producen colores impresionantes aprovechando la dispersión. Por ejemplo, la evolución ha dotado a algunos animales de la capacidad de generar colores azules a través de la refracción, porque los pigmentos de este color son muy complejos a nivel químico y producirlos requiere mucha energía.8 Como resultado, en lugar de poseer ciertas sustancias que reflejan los tonos azules de la luz y absorben los demás, estos organismos están recubiertos de estructuras de tamaño nanométrico que reflejan y dispersan de manera preferencial los colores azules de la luz blanca del sol por una cuestión puramente geométrica.9
Esta manera de conseguir color sin usar pigmentos se llama pigmentación estructural, y es lo que proporciona sus alas azules iridiscentes a algunas mariposas del género Morpho, pero también produce los colores vivos del plumaje de otros animales con grados de glamur tan dispares como en los pavos reales y en las palomas.10 Y, por supuesto, no podemos olvidar que la pigmentación estructural también dota al nácar de su iridiscencia multicolor o a la Pollia condensata de un interesante color azul metalizado.
No sé qué diablos es una Pollia condensata, pero no me fío lo bastante de ti como para poner el nombre en Google y averiguarlo.
Puedes hacerlo tranquilamente, voz cursiva; solo es un tipo de baya azul iridiscente que crece en Angola y tiene un color muy impactante. De hecho, la iridiscencia de estas bayas es una estrategia evolutiva muy curiosa: como su escaso valor nutricional no incita a ningún animal a comérselas y esparcir sus semillas, acabó desarrollando esta coloración para atraer a los pájaros que utilizan objetos de colores llamativos para decorar sus nidos.11
Fascinante, pero me he quedado con la intriga. ¿De verdad no existe ningún organismo que sea de color azul simplemente porque contiene algún pigmento normal y corriente?
Alguno hay. Un ejemplo es el quangdong azul, una pequeña fruta comestible y ácida que produce una planta llamada Elaeocarpus angustifolius en ciertas partes de Australia. Pero, sin duda, el caso más inquietante es el de la Decaisnea fargesii, un arbusto que produce unas frutas azules que reciben el apodo de «dedos de muerto». Y, esta vez sí, te reto a que busques esta fruta en Google para confirmar su desagradable aspecto, voz cursiva.
Lo confirmo.
Excelente. En cualquier caso, la moraleja de este capítulo es que la dispersión de la luz es un fenómeno muy versátil, desde el punto de vista cromático: es la responsable del color blanco de las nubes y de la espuma, del tono añil del cielo, de la tonalidad roja ardiente de las puestas de sol, del colorido de un arcoíris y de las tonalidades iridiscentes de algunos animales. Y, por si esto fuera poco, la gente con ojos azules también puede agradecer la pigmentación de sus iris a la dispersión. Teniendo todo esto en cuenta, me he tomado la libertad de reescribir el famoso poema de Bécquer:
¿Qué es poesía?, dices, mientras clavas
en mi pupila tu pupila azul.
¿Qué es poesía? ¿Y tú me lo preguntas?
Poesía... eres tú es la dispersión de la luz.