Espejismo rutero

Por Ignacio Bruvera

El espejismo rutero es un fenómeno bastante intrascendente que, por cotidiano, no suele llamar la atención ni despertar curiosidad. Pero resulta que se produce gracias a la combinación de varias leyes naturales que atañen a la óptica en tanto propagación de la luz (previsiblemente), a la termodinámica y la percepción de las imágenes por el cerebro humano (lo que, si se quiere, tiene interesantes connotaciones filosóficas). Por eso me parece oportuno utilizarlo como excusa para repasar algunas propiedades de la naturaleza, que de eso se trata todo este asunto.

Primero definamos de qué estamos hablando: lo que llamo “espejismo rutero” es la sensación de estar viendo un espejo de agua lejano sobre el pavimento en los días calurosos de sol brillante. En general es lo mismo para todos los espejismos variando la superficie “reflectante” en cuestión que, en el caso de encontrarse el observador en un desierto no será otra que la arena (además de que en este caso el efecto es más perverso si uno está perdido y muriendo de sed).

Para empezar a entender este fenómeno tratemos primero la interpretación que el cerebro hace de la información visual y como estamos acostumbrados a dar por sentado algo que no es más que una de varias posibles construcciones. Desde que abrimos por primera vez los ojos, la experiencia nos enseña que típicamente la luz viaja en línea recta. Esto nos lleva a interpretar que los objetos que observamos se encuentran directamente frente a nuestros ojos. Esto parece una trivialidad, pero basta un ejemplo para demostrar que no siempre es así. El más fácil es el espejo. Para el que no sabe que está mirando un espejo, los objetos observados se encuentran del otro lado de lo que parece ser una ventana. Si el espejo es plano, veremos las cosas del mismo tamaño y a una distancia dentro del espejo igual a la que las separa del mismo en el mundo “real” (o Alicia I). Esto se llama imagen virtual y constituye uno de tantos ejemplos de cómo la realidad se construye puramente dentro del cerebro.

Figura 1. La luz que parte del objeto real se refleja en el espejo como indican las flechas continuas azules. El cerebro interpreta que la fuente se encuentra en la dirección de origen de los rayos por lo que observamos un segundo objeto virtual dentro del espejo.

Aclarado este punto, pasemos a cómo se propaga la luz en los diferentes medios. Intentaré ser breve dado que este es un tema que da para un artículo propio. La velocidad de propagación de la luz depende de las propiedades del medio por el que está viajando. Así, para cada medio transparente se define una cantidad llamada índice de refracción (se simboliza con n) que no es más que el cociente entre la velocidad de la luz en el vacío (la máxima posible) y la velocidad de la luz en el medio en cuestión. Cuanto mayor el índice de refracción, más lento viaja la luz por el material. Esto se manifiesta mediante un cambio en la dirección de propagación cuando la luz pasa de un medio a otro. Dada la superficie entre los dos medios, el ángulo respecto a la perpendicular disminuye cuando se pasa a un medio de mayor n y aumenta en el caso opuesto.

Figura 2. El haz de luz proveniente de la derecha (en rojo) pasa de un medio a otro de mayor índice de refracción por lo que se desvía de su dirección original (línea punteada) acercándose a la perpendicular. El azul sufre el proceso opuesto. ACLARACIÓN: El color de las flechas es sólo para diferenciar los rayos, no se relaciona con el color de la luz.

Figura 3. Ante un cambio de medio, parte de la luz es transmitida con una cambio de dirección dependiente del nuevo n (linea de puntos) mientras que el resto es reflejada siempre con el mismo ángulo con el que incide (línea de guiones). Al aumentar el ángulo de incidencia respecto a la perpendicular, llega un punto en el que toda la luz es reflejada. ACLARACIÓN: el color de las flechas es sólo para diferenciar los rayos, no se relaciona con el color de la luz.

Este es el principio de funcionamiento de todos los sistemas basados en lentes como la lupa, el microscopio y los anteojos para corregir problemas visuales. También es la causa por la que un objeto semisumergido en el agua (que tiene mayor índice de refracción que el aire) se vea como partido.

Ahora, ante un cambio de medio no toda la luz atraviesa la interfaz. Siempre hay una porción que es reflejada y lo hace con el mismo ángulo con el que incide. Como se ve en la figura 3, en el caso de un paso a un medio con menor n, si el ángulo respecto a la perpendicular se va haciendo cada vez más grande, llega un punto en el que desaparece el haz transmitido y toda la luz es reflejada. Esto se llama reflexión total interna y es la base del funcionamiento de la fibra óptica.

Por último veremos qué papel juega la temperatura en todos esto. El índice de refracción depende de alguna manera de la densidad del material y en general, la densidad depende inversamente de la temperatura (cuando la temperatura aumenta, la densidad disminuye). Esto es particularmente notorio en los gases y permite entre otras cosas hacer famosos a un gallo, una oveja y un pato. Quedémonos con esto de que “el aire caliente sube” por ser menos denso que el frío sin entrar en detalles ya que no es tan simple de explicar como parece.

Con toda esta información ya estamos en condiciones de fabricar nuestro espejismo. Tomesé una superficie horizontal caliente. El aire en contacto con la misma se calienta y tiende a subir. Al subir, se aleja de la fuente de calor y su temperatura va disminuyendo cuanto más arriba llega. Manteniendo siempre la temperatura de la superficie, obtenemos un gradiente térmico que no es más que una secuencia de capas de aire de temperaturas cada vez menores a medida que se sube. Como se dijo antes, esto es lo mismo que decir una torre de capas de aire de densidad cada vez más grande a medida que se sube. El aire más denso tiene un mayor índice de refracción por lo que, cuando la luz viaja atravesando las sucesivas capas, su dirección va cambiando como en la Fig. 2. En algún punto se produce la reflexión total interna y el haz invierte la componente vertical de la dirección de propagación. Así termina describiendo una trayectoria curva hasta el observador que interpreta esa imagen como proveniente de la superficie que se encuentra directamente frente a sus ojos. Ahí es donde la experiencia nos vuelve a fallar y terminamos creyendo que existe una capa de agua que refleja la luz.

Figura 4. La luz proveniente del Sol es desviada gradualmente por las capas de aire progresivamente menos densas al acercarse al suelo (n y T crecen en el sentido de sus respectivas flechas). Describe una trayectoria curva hasta el observador que interpreta que los rayos provienen del suelo directamente delante de sus ojos. De esta manera parece que existe un cuerpo de agua reflejando la luz.

En resumen: Los espejismos se generan por la refracción de la luz en un cuerpo de aire que presenta un gradiente térmico inusual en el que la temperatura aumenta al acercarse al piso. La trayectoria curva seguida por los rayos de luz no está contemplada por nuestro cerebro que interpreta que la imagen se generó en el punto ubicado directamente frente a nuestros ojos. Esto nos induce a creer en la existencia de una capa de agua que genera el supuesto reflejo.

Sólo queda resaltar todo lo que se puede aprender a partir de un sólo ¿cómo?.