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Física

Sol de laboratorio

Con pompas de jabón y un puntero láser, científicos crean un modelo de un fenómeno atmosférico luminoso

El láser sobre burbujas jabón genera un patrón luminoso similar al parhelio solar: manchas, círculo y líneas retas

LÉO RAMOSEl láser sobre burbujas jabón genera un patrón luminoso similar al parhelio solar: manchas, círculo y líneas retasLÉO RAMOS

Con agua, detergente lavavajilla y un puntero láser, de los que se utilizan en conferencias, la pareja de físicos compuesta por Adriana y Alberto Tufaile creó un modelo experimental y aportó una nueva explicación para un fenómeno natural que fascina a la humanidad hace al menos 2.300 años, desde los tiempos de Aristóteles: la aparición de un conjunto de efectos luminosos alrededor del Sol al que técnicamente se le denomina parhelio. En zonas frías, la luz solar interactúa con pequeños cristales de hielo en suspensión en la atmósfera y, en determinadas condiciones, hace surgir pares de manchas brillantes (los llamados falsos soles), un halo (círculo parhélico) y líneas rectas (pilares del Sol) alrededor del astro. En ocasiones aún más raras, esas formaciones también ocurren en los alrededores de la Luna.

Los profesores del Laboratorio de Materia Blanda de la Escuela de Artes, Ciencias y Humanidades (EACH) de la Universidad de São Paulo (USP), del campus de la zona leste de la capital paulista, realizaban a mediados de 2013 ensayos sobre la dispersión de la luz en espuma formada por jabón, uno de sus campos de estudio, cuando se depararon con esa misma serie de figuras proyectadas al fondo del experimento. “No teníamos idea de que podría ser”, dice Alberto Tufaile. “Hicimos una larga investigación y el único fenómeno similar era el parhelio, uno que no conocíamos”. El descubrimiento apareció en un artículo publicado el 9 de diciembre en la versión electrónica de la revista científica Physics Letters A. “Hasta ahora, las explicaciones para el fenómeno atmosférico se rigieron según la óptica geométrica, que trata a la luz como partícula y sigue las ideas de Newton”, afirma Adriana Tufaile. “Pero nuestro estudio sugiere que el círculo parhélico es fundamentalmente fruto de la característica ondulatoria de la luz.”

El cuadro Vädersolstavlan, de 1535: el lienzo retrata el parhelio sobre los cielos de Estocolmo

Reproducción de Vädersolstavlan, de Urban Målare, 1535/ Wikipedia El cuadro Vädersolstavlan, de 1535: el lienzo retrata el parhelio sobre los cielos de EstocolmoReproducción de Vädersolstavlan, de Urban Målare, 1535/ Wikipedia

Las figuras prácticamente análogas a las manchas brillantes, líneas rectas y un círculo que se forman alrededor del Sol se observaron en laboratorio cuando los físicos iluminaron con el haz de láser el llamado borde de Plateau, justamente el punto de contacto entre tres delgadas películas de burbujas de detergente. La región de intersección recibe ese nombre en homenaje al físico belga Joseph Plateau. En el siglo XIX, éste observó que las burbujas siempre se encuentran en tríos y forman una especie de arista que sostiene sus tenues paredes. Al cambiar el ángulo de incidencia de la luz debajo del borde de Plateau formado en el interior de una caja de acrílico cerrada (célula de Hele-Shaw) que contiene una solución de agua y detergente, Adriana y Alberto Tufaile notaron que aparecían más o menos figuras, de distintos tamaños y con distinta nitidez. Intrigada con el patrón luminoso que generaba el láser en el experimento realizado en la USP Este, Adriana resolvió un día intentar reproducir el ensayo en su casa. Llenó una fuente con agua y jabón, agitó la mezcla para formar burbujas y apuntó con el puntero láser en dirección hacia el borde de Plateau, hacia el punto de encuentro entre tres películas de espuma. Y no quedó otra: las manchas luminosas, las líneas y el círculo surgieron en la pared de su casa. “En un ambiente abierto, el borde de Plateau se deshace más rápido”, explica la física. “Por eso usamos la célula de Hele-Shaw.”

Una de las claves para entender la analogía entre ambos fenómenos, el atmosférico y el de las pompas de jabón, se relaciona con la extrema simetría existente entre los cristales de nieve y los bordes de Plateau, según la pareja de la USP, cuyos estudios se enmarcan en el trabajo del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Fluidos Complejos (INCT-FCx), financiado por la FAPESP y por el Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq). Los cristales tienen un formato hexagonal y los bordes son triangulares. Esas dos figuras geométricas exhiben una íntima relación: un hexágono regular puede ser visto también como la conjunción de seis triángulos equiláteros. Por ende, al incidir sobre esas dos estructuras, la luz del Sol y la del láser se propagan de acuerdo con el mismo principio. “Resulta sumamente difícil estudiar en detalle la formación de las imágenes en ese raro fenómeno atmosférico”, explica Alberto. “Y capturar los cristales de hielo implicados en el fenómeno resulta prácticamente imposible.” Como la pareja de científicos había detectado un fenómeno análogo al parhelio del Sol en sus ensayos con burbujas de detergente y láser, decidió investigar a fondo el mecanismo inherente a la formación de ese patrón de imágenes luminosas.

Físicos de la USP afirman que el círculo y las líneas rectas del patrón luminoso se deben al carácter ondulatorio de la luz

LÉO RAMOSFísicos de la USP afirman que el círculo y las líneas rectas del patrón luminoso se deben al carácter ondulatorio de la luzLÉO RAMOS

Tras repetir el experimento varias veces en el laboratorio, usando incluso láseres de tres colores distintos (verde, azul y rojo) para cerciorarse de que la longitud de onda de luz no interfería en el resultado, y estudiar la literatura científica sobre el fenómeno atmosférico, Adriana y Alberto Tufaile arribaron a la conclusión de que la explicación de las figuras formadas pasaba esencialmente por el carácter ondulatorio de la luz. Más específicamente, creen que, al chocarse con el punto de encuentro de las tres burbujas de jabón, el haz de láser dispersa la luz mediante dos procesos similares, de interferencia y difracción, especialmente el segundo. La difracción es un fenómeno visto durante la propagación de diferentes tipos de ondas, tales como las sonoras, las electromagnéticas y hasta las que se forman en el agua. Sucede cuando el sonido o la luz encuentran un obstáculo o una hendija de dimensiones diminutas, más o menos del mismo tamaño de su longitud de onda, y ese choque altera su ángulo de propagación. El resultado de la difracción consiste en provocar un desvío en el camino del haz de ondas o su dispersión. Este fenómeno es más fácil de observarse con las ondas sonoras, mayores que las de la luz visible.

En el caso del láser que ilumina las burbujas de jabón, el haz de luz incide sobre el borde de Plateau, un área de algunos nanómetros de longitud que forma un pequeño tubo triangular capaz de dispersar la luz. Y ésta llega al punto donde se juntan las tres pompas en forma de un solo haz de láser, recto y concentrado. Tras chocarse con el tenue obstáculo, ésta da origen a una serie de haces menos potentes y más delgados que formarán el patrón luminoso asociado con el fenómeno. Una parte del láser inicial prácticamente pasa en forma recta por el borde y origina ‒en una superficie blanca situada detrás del experimento‒ un punto luminoso más fuerte, el equivalente al Sol original que se ve en la versión atmosférica del fenómeno. La luz de esa mancha se refleja en las burbujas de jabón y produce dos o cuatro imágenes espejadas, menos vigorosas que la original, los mencionados falsos soles en el caso del fenómeno celeste. “Resulta interesante notar que esos puntos luminosos siempre se forman sobre la línea que delimita el círculo”, afirma Adriana Tufaile.

Dos falsos soles alrededor del astro verdadero en Dakota del Norte, EE.UU.: el fenómeno se registra durante el clima frío

GOPHERBOY6956 / WIKIPEDIADos falsos soles alrededor del astro verdadero en Dakota del Norte, EE.UU.: el fenómeno se registra durante el clima fríoGOPHERBOY6956 / WIKIPEDIA

Hasta ese punto, la explicación de la pareja de brasileños es más o menos igual a las ideas de otros científicos para dar cuenta del parhelio solar. Pero su aporte cobra importancia cuando introducen la cuestión de la difracción de la luz provocada por delgadas películas de espuma. Las líneas rectas, en general tres, que cortan el punto principal, el “sol original” del experimento, se forman debido a la difracción de parte de la luz que incide sobre la estructura triangular del borde de Plateau. Es como si la pared de cada una de las tres burbujas que se encuentran apoyadas unas sobre otras diese origen a una línea recta. Para que se forme también el halo del fenómeno, es necesario un requisito extra: el láser debe incidir en forma oblicua sobre el borde de Plateau. De este modo, otra fracción de la onda de luz difractada se esparce en un formato cónico, formando así un círculo perfecto. “Nuestra explicación es más sencilla que las otras teorías que se valen únicamente de la reflexión y la refracción de la luz, y no de su carácter ondulatorio, para explicar el fenómeno atmosférico”, dice Alberto Tufaile.

El Sol y sus réplicas de menor intensidad constituyen un fenómeno celeste que ha fascinado al hombre desde hace mucho tiempo, de acuerdo con registros escritos e incluso con representaciones pictóricas del evento. En el siglo IV a. C., Aristóteles hace referencia a ese tipo de evento en el libro Meteorologica. Considerado como la primera representación de Estocolmo, el cuadro Vädersolstavlan, de 1535, retrata el fenómeno en su plenitud en los cielos de la capital sueca. Aún en el siglo XVI, el dramaturgo inglés William Shakespeare hace referencia al parhelio en la tercera parte de la obra Enrique VI. El francés René Descartes fue a Roma en 1629 para ver el fenómeno y también escribió al respecto. En algunos momentos de la historia, ciertas culturas llegaron a asociar la ocurrencia del parhelio con la inminencia de la guerra. Adriana y Alberto Tufaile, cuando vieron la versión con láser y pompas de jabón del fenómeno en su laboratorio en la USP Este, evaluaron que se encontraban delante de un interesante –y milenario– tema de investigación.

Proyecto
Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Fluidos Complejos (INCT-FCx) (nº 2008/ 57685-7); Modalidad Proyecto Temático – INCT; Investigador responsable Antônio Martins Figueiredo Neto (IF-USP); Inversión (en todo el INCT): 2.522.238,07 (FAPESP) y 2,5 millones (CNPq).

Artículo científico
TUFAILE, A. y TUFAILE, A. P. B. Parhelic-like circle from light scattering in Plateau borders. Physics Letters A. 4 dic. 2014.

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