La física atmosférica de los pilares de luz

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Los pilares de luz son un curioso fenómeno atmosférico causado por el reflejo de la luz de las farolas en cristales de hielo. Para que se observe el fenómeno los cristales de hielo tienen que estar alineados de forma casi horizontal respecto al suelo. La luz de las farolas entra en ellos con el ángulo de Brewster, que anula la componente de la polarización paralela al ángulo de incidencia, y se refleja hacia el observador con una polarización perpendicular al plano de incidencia. Por supuesto, como en el caso del arco iris, el fenómeno se observa a la distancia adecuada para ver dicha reflexión.

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En nuestras latitudes españolas lo más habitual es ver un único pilar de luz que sube desde el Sol hacia arriba al atardecer. Quizás no sea tan espectacular como los mostrados en la fotografía que abre esta entrada, que fue tomada por Sophie Melanson @CodiacSM en Moncton, New Brunswick, Canadá, el 30 de diciembre de 2017 sobre las 06:00 AM, justo tras levantarse (tuit); por cierto, se publica dicha fotografía en Jon White, “Spectacular light pillars rise up in frozen North America,” New Scientist 3160: 24-25 (13 Jan 2018) [web]. Los pilares de luz en las ciudades polares son muy fotogénicos, como muestra la fotografía justo encima de este texto, que fue tomada por Adam Kraft [Facebook] en Spring Arbor, Michigan, EE.UU., el 01 de enero de 2018 entre las 03:00 y las 04:00 AM. Si buscas en la web encontrarás muchos otros ejemplos.

Si te interesa la física de los pilares de luz puedes consultar Kenneth Sassen, “Polarization and Brewster angle properties of light pillars,” Journal of the Optical Society of America A 4: 570-580 (1987), doi: 10.1364/JOSAA.4.000570; Robert G. Greenler, Monte Drinkwine, …, George Blumenthal, “The Origin of Sun Pillars: A computer modeling process reveals a new explanation for the vertical column of light sometimes seen passing through the sun,” American Scientist 60: 292-302 (1972), JSTOR: 27843129; Anatoli Borovoi, Natalia Kustova, “Display of ice crystal flutter in atmospheric light pillars,” Geophysical Research Letters 36: L04804 (2009), doi: 10.1029/2008GL036413, entre otros.

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Esta figura ilustra la configuración geométrica entre la posición del observador, la farola de la ciudad y los cristales de hielo planos alineados de forma casi horizontal. Estos cristales de hielo planos tienen un diámetro entre 15 y 20 micrómetros. Para su formación es necesario que la temperatura ambiente está entre –10° C y –20° C, con una alta humedad en el aire. Los cristales nuclean a partir de partículas microscópicas en suspensión (que en una ciudad suelen estar producidas por los tubos de escape de los automóviles o las chimeneas de las fábricas). Esta figura está extraída de “Light pillars in cirriform clouds,” Caelestia.

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Si conoces la explicación del arco iris te será fácil entender la parte izquierda de esta figura, donde el rectángulo corresponde a la sección transversal de un cristal de hielo casi horizontal (recuerda que se puede aproximar por un prisma de base hexagonal). El ángulo de Brewster corresponde a unos 52,4º, como muestra la figura de la derecha, que presenta los coeficientes de reflexión en función del ángulo de incidencia para las dos componentes de la polarización, la paralela y la perpendicular al plano de incidencia.

Los fenómenos atmosféricos son de gran belleza y en este blog les hemos dedicado muchas entradas: “Las glorias de los santos tienen una explicación sencilla, vivían en la montaña”, LCMF, 01 Feb 2008; “La física de los arcoíris múltiples con gotas de agua no esféricas”, LCMF, 07 Oct 2012; “Física de las nubes iridiscentes”, LCMF, 08 Mar 2013; “Por qué brilla la nieve con chiribitas”, LCMF, 30 Abr 2013; “La explicación física del vídeo de la ‘explosión sónica «visible» de un cohete Atlas V'”, LCMF, 01 Mar 2010; entre otras.

5 comentarios

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Pelau Pelau

¡Qué impresionantes imágenes! Lástima que… ohhh, está bien, ya no buscaré a Thor bajo uno de estos Bifröst 🙂

¿O sea que el HAARP tampoco tenía nada que ver? ¿Y los chemtrails ni siquiera un poquito? Ahhh, con lo divertidas que eran algunas “explicaciones” que todavía pululan en la red… 🙂

espaidual espaidual

impresionantes!
solo una pequeña corrección: Ni Moncton ni Spring Arbour están en regiones polares, precisamente. De hecho, toda la costa del Cantábrico está más al norte que Moncton. Otra cosa es que la climatología sea distinta…

Aprendiz de física Aprendiz de física

Viendo las últimas dos figuras creo comprender por qué vemos esa columna de luz sobre las farolas, porque de esa dirección proviene la luz reflejada en los cristales de hielo; lo que no comprendo es si tiene alguna importancia para observar el fenómeno que esa luz (por el efecto Brewster, que no conocía) sea polarizada. ¿Se vería lo mismo si los cristales de hielo fuesen pequeños espejos del mismo tamaño, forma y orientación, reflejando sin polarizar?…
Muchas gracias por hacernos pensar en estas cosas.

Francisco R. Villatoro Francisco R. Villatoro

La luz de las farolas no está polarizada, pero se polariza en toda reflexión, con una componente paralela al cristal y otra perpendicular al cristal; para el ángulo de Brewster se anula la primera y solo se observa la segunda. Para un pequeño espejo (es decir, un metal) ocurre lo mismo que para los cristales de hielo. La diferencia entre el espejo y el cristal de hielo es que en el segundo caso hay una reflexión secundaria (por eso el cristal ha de ser delgado o casi plano), que no se observará con el espejo; por tanto, el efecto será menos intenso en el caso de los espejos, pero también se observará.

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