La atmósfera terrestre y la astrofotografía

La atmósfera terrestre y la astrofotografía

Comprender los efectos que la atmósfera terrestre produce sobre la luz puede ayudarte a mitigar sus efectos y mejorar la calidad de tus astrofotografías. Los numerosos inconvenientes que suele acarrear han hecho bromear a más de un fotógrafo sobre si realmente es tan necesario respirar o no sería preferible prescindir de la atmósfera.

¿De qué está hecho el aire?

La atmósfera terrestre está compuesta por gases, sobre todo nitrógeno (78%) y oxígeno (21%). El pequeño porcentaje restante está compuesto por otros gases, sobre todo Argón, a los que se añaden moléculas de agua o hielo, polvo y otros aerosoles en suspensión. La atmósfera se extiende hasta 10,000 km, aunque el 75% de su masa se encuentra en los 11 km más cercanos a la superficie terrestre.

Salvo que dispongas de un telescopio espacial como el Hubble, si quieres fotografiar una estrella u otro objeto astronómico, su luz tiene primero que atravesar esta gruesa capa de aire que oscila en temperatura y presión. Y en ese trámite suceden unas cuantas cosas.

¿Qué sucede cuando se mezclan luz y aire?

La luz interactúa con la atmósfera de varias maneras que alteran las imágenes que pretendes captar. Aunque haya viajado miles o millones de años por el cosmos prácticamente inalterada, los últimos kilómetros que la separan de tu cámara pueden distorsionarla por efectos como estos:

  • Reflexión: la luz no solo se refleja en materiales opacos como los espejos, sino también en los materiales transparentes, como el agua. Las partículas de polvo en suspensión en la atmósfera pueden reflejarla también en diferentes direcciones.
  • Refracción: cuando la luz pasa de un medio a otro de diferente densidad, por ejemplo del aire al agua, o entre capas de aire  de diferente densidad, su dirección de desplazamiento se ve modificada en un ángulo que depende del material y de la longitud de onda de la luz. Las estrellas titilan precisamente porque su luz, que puede considerarse puntual, se refracta constantemente de un lado a otro en las capas atmosféricas de distinta temperatura y densidad. Este fenómeno recibe el nombre de escintilación. Los planetas, en cambio, no titilan, ya que su luz es generada por un disco y no solo por un punto de luz, lo que promedia los efectos de la refracción y los mitiga, incluso aunque el disco no resulte visible a simple vista. Al observarse con un telescopio, las estrellas dejan de titilar porque la mayor apertura del tubo sirve también para promediar los efectos de la refracción.
  • Dispersión refractaria: como la refracción actúa de forma diferente sobre los diferentes colores (longitudes de onda) que componen la luz, puede separarlos en ángulos diferentes, causando fenómenos como el arco iris. Este fenómeno es el mismo que investigó Newton al separar un haz de luz blanca en colores utilizando un prisma para a continuación reunirlos de nuevo en un mismo haz de luz blanca. Cuando fotografías objetos a baja altura, por ejemplo Venus o Mercurio, pueden aparecer halos de cromatismo en tu imagen causados por la atmósfera y sin relación alguna con la aberración cromática típica de los refractores (un reflector también los sufrirá).
  • Dispersión de Rayleigh: al atravesar la luz partículas muy pequeñas, como los átomos de oxígeno y nitrógeno, estos extraen parte de la energía luminosa y la emiten de nuevo en todas direcciones. Esta dispersión es menos eficiente en las longitudes de onda largas (en el color rojo o el verde, para entendernos) y más eficiente en las cortas (los tonos azules). Cuando la luz solar pasa por cualquier punto del cielo, el color azul se dispersa desde ese punto hacia tus ojos en mayor proporción que el rojo o el verde, y esto da al cielo su color característico. Si miras el cielo con detenimiento, verás que es más azul cuanto más lejos está del sol, ya que los tonos menos azules se han dispersado más. El mismo fenómeno hace que el sol aparezca rojo al amanecer o al atardecer: su luz es en realidad blanca, pero al atravesar una gruesa capa de atmósfera los tonos azules y verdes son dispersados en todas direcciones, mientras que los tonos rojos avanzan directamente del sol hacia ti en una mayor proporción. Puedes ver una explicación magnífica de este fenómeno y el siguiente aquí.
  • Dispersión de Mie: es similar al fenómeno anterior, pero con moléculas de mayor tamaño. En este caso la luz se dispersa prácticamente por igual en todas las longitudes de onda, por lo que el color no se ve apenas afectado. La dispersión de Mie es por ejemplo la causa de que las nubes parezcan blancas: el agua, en principio transparente, está hecha de moléculas relativamente grandes que por tanto dispersan la luz blanca del sol en todas direcciones.
  • Absorción y emisión: determinados componentes atmosféricos actúan también absorbiendo parte de la radiación solar. Quizás el ejemplo más conocido sea el de la absorción por parte del ozono atmosférico de una gran parte de la radiación ultravioleta del sol, aunque también se dan fenómenos de absorción en el infrarrojo, causantes del conocido efecto invernadero. La luz  visible sufre una absorción muy limitada, por suerte para quienes la fotografía de esta zona del espectro. El fenómeno inverso, de emisión, también puede darse incluso de noche, cuando las capas altas de la atmósfera que contienen átomos o moléculas ionizadas por el sol durante el día (o por radiación cósmica) generan un cierto nivel de luminiscencia, de manera similar al mecanismo que genera el color de las nebulosas.
  • Difracción: este fenómeno se produce cuando la luz se topa con un obstáculo y lo rodea, teniendo como consecuencia que cada punto luminoso se transforma en un característico patrón conocido como función de dispersión de punto. Esto genera entre otros fenómenos los halos y anillos o coronas que parecen rodear la luna (o el sol) cuando se observan a través de una delgada capa de nubes.

¿Qué impactos tiene la atmósfera en la astrofotografía?

Con todo lo visto que le sucede a la luz al atravesar la atmósfera, casi parece un milagro que logremos ver algo a través de semejante maremágnum. Aún así, a efectos de fotografía astronómica, los impactos más destacados son:

  • Extinción atmosférica: En astronomía, la extinción es la absorción y dispersión de parte de la luz de un objeto astronómico, bien por efecto de fenómenos atmosféricos (dispersión de Rayleigh, de Mie, absorción molecular…) o por efecto de polvo interestelar antes de llegar a la Tierra. El brillo de los objetos se debilita y su color puede parecer más rojo de lo que es, como le sucede al sol en el ocaso o el amanecer. Conforme el objeto se aleja del cénit y se acerca al horizonte, su luz debe atravesar una capa de atmósfera más gruesa, por lo que el efecto de la extinción se acentúa. Los observatorios profesionales suelen medir detalladamente el factor de extinción del observatorio con el objetivo de ajustar sus mediciones para contrarrestar este efecto.  Para los aficionados a la astrofotografía, la transparencia del cielo es también una limitación que puede dificultar la captación de los objetos con brillo más débil.
  • Visibilidad o seeing astronómico: el aire tiene capas de densidad variable, entre las que suelen formarse zonas de turbulencia y remolinos que pueden extenderse desde pocos milímetros hasta varios metros. Esto hace que el frente de onda luminoso de un objeto se pueda inclinar o fragmentar debido a la refracción, lo que puede  modificar temporalmente la posición aparente de un objeto en el cielo o hacerle perder nitidez. Y al realizar fotografía de larga exposición, estos efectos esparcen la luz de cada punto alrededor de un área más o menos grande, afectando por tanto a la función de dispersión de punto de la fotografía. Las mejores ubicaciones profesionales pueden tener impactos de seeing de medio segundo de arco, aunque para los aficionados es más habitual tener 2 o 3 segundos de arco de impacto, en incluso más, por efecto de la turbulencia atmosférica.

¿Cómo mitigar el deterioro de las imágenes por causas atmosféricas?

De entrada parece que no hay mucho que uno pueda hacer para mitigar el impacto de la atmósfera. Sin embargo estas son algunas medidas que puedes tomar para reducir los impactos atmosféricos sin renunciar a poder respirar aire:

  • Altura: La luz de un objeto en el cénit, sobre tu cabeza, debe atravesar una capa de atmósfera mucho más delgada  que un objeto sobre el horizonte. Por tanto, una manera muy sencilla de mitigar los efectos de la atmósfera es concentrarte en objetos que no estén muy alejados del zénit, aunque esto no siempre será posible. Además de consultar una carta celeste, también puede serte útil saber que la declinación astronómica del cénit es siempre igual a la latitud de tu lugar de observación. Por tanto, si sueles fotografiar siempre desde el mismo lugar, puedes elaborar una lista de objetos candidatos cuya declinación sea similar a tu latitud.
  • Altitud: Otra manera de recortar el tamaño de la atmósfera es encaramarte a la mayor altitud que puedas. Entre los 3,000m y 5,000m de altitud los efectos de la turbulencia atmosférica se mitigan bastante, por eso los observatorios profesionales se sitúan en lugares elevados habitualmente. Si vives y fotografías al nivel del mar tendrás que convivir con unos kilómetros más de atmósfera y además con la humedad marina que suele contribuir negativamente a la transparencia del cielo.
  • Transparencia: además de evitar los días de humedad elevada, el polvo o las partículas de contaminación en suspensión son otros candidatos a enturbiar tu fotografía. Un poco de lluvia seguida de un frente frío con aire seco suele generar condiciones de transparencia más favorables, aunque en general necesitarás consultar servicios meteorológicos para hacerte una idea de las condiciones (más abajo tienes un par de recomendaciones).
  • Aclimatación: la turbulencia atmosférica tiene su origen en la diferencias de temperatura de las capas de aire. Sin embargo, resulta que, después de viajar millones de años para llegar hasta tu cámara fotográfica, la luz suele toparse con las peores deformaciones por turbulencia en un lugar que puedes controlar: ¡dentro de tu telescopio!. Esta turbulencia puedes evitarla sencillamente permitiendo que el telescopio se aclimaté hasta temperatura ambiente durante 30 minutos o más antes de iniciar la sesión fotográfica. Algunos aficionados instalan ventiladores en la parte inferior de los tubos reflectores para enfriar el espejo primario, aunque yo no lo he probado directamente. También es imprescindible evitar cualquier fuente de calor cerca del tubo, incluyendo el calor de tu propio cuerpo, los edificios con calefacción o las chimeneas que arrojen calor justo por debajo de la línea óptica de tu telescopio. La radiación del suelo también es una fuente considerable de calor y por tanto turbulencia, así que refrescar el suelo o ubicarse sobre césped puede suponer una mejora en la imagen, sobre todo en verano.
  • Exposición: En fotografía planetaria se requieren magnificaciones elevadas que agravan el impacto de la turbulencia. Sin embargo, el brillo de los planetas es en general elevado, así que suele buscarse «congelar» el efecto de la turbulencia atmosférica realizando tomas con exposiciones muy cortas, 60 fotogramas por segundo o más si es posible. En el procesado y apilado posterior se seleccionan únicamente aquellas tomas que lograron congelar el seeing. Los objetos débiles de cielo profundo requieren exposiciones largas, pero aún así, conviene recordar que las exposiciones largas agravan los efectos negativos del seeing. En determinadas ocasiones puede ser preferible realizar una serie de exposiciones más cortas y apilarlas en lugar de realizar una única exposición muy larga.
  • Distancia focal o magnificación: Una alternativa cuando el seeing no acompaña es concentrarse en objetos extensos que permitan utilizar focales cortas y abarcar una porción considerable de cielo en el marco de la foto. No es que el seeing no afecte, pero su impacto crece que la magnificación de la imagen.
  • Óptica adaptativa: La tecnología también es capaz de paliar los efectos atmosféricos mediante los llamados sistemas de óptica adaptativa, que se anticipan al movimiento atmosférico y corrigen la imagen mediante el uso de lentes para mitigar los efectos de la turbulencia atmosférica. Estos sistemas suelen funcionar mejor en la banda infrarroja y utilizarse habitualmente en observatorios profesionales.
  • Selecciona las mejores noches para tu sesión: Aparte de las precauciones mencionadas arriba, el recurso final al que puedes recurrir es concentrar tus esfuerzos en las noches en que los cielos estén más transparentes y menos turbulentos. Puedes estimar el seeing y la transparencia visualmente guiándote por el brillo del cielo en el primer caso y por la forma de la función de dispersión de punto en el segundo. Por último te recomiendo utilizar servicios meteorológicos que aporten información de visibilidad astronómica. Por ejemplo Meteoblue ofrece mediciones del seeing astronómico con tres días de antelación (en el menú a la izquierda de la pantalla de Meteoblue puedes seleccionar Air/Astronomical Seeing para verlo). También puedes utilizar el servicio de Skippysky desde América del Norte, Europa o Australia. Como saben la mayoría de aficionados, es preferible no luchar contra la atmósfera.