¿De qué color exacto es el gas de ozono?

Question

Esta respuesta a una pregunta ahora cerrada dice que el gas de ozono tiene un color "ligeiramente azul". Pero hay muchos colores azules: azul cielo, azul ultramarino, azul ftalocianina, entre muchos otros — ¿cuál se acerca más al color de ozono?

Esta página muestra fotos de soluciones de ozono en agua, como la que se muestra abajo, pero esto puede que no sea representativo del color del gas.

(fuente)

Entonces, ¿exactamente de qué color es el gas de ozono? ¿Es un solo tono, o cambia dependiendo de la concentración/cantidad de ozono?

Answer 1

Debido a la absorción de Chappuis, el ozono tiene un color azulado. Para determinar exactamente qué tipo de azul es, primero veamos el espectro de absorción en la banda Chappuis. La siguiente gráfica se realizó utilizando estos datos para 293K.

Esta es la sección transversal espectral de absorción. Para determinar el color a partir de este espectro, necesitamos elegir algunos parámetros:

1. Densidad numérica de moléculas de ozono,
2. Grosor de la capa de ozono que estamos tratando de visualizar,
3. Iluminante.

Si denotamos la radiancia espectral de nuestro iluminante como $L(\lambda)$, el grosor de la capa de ozono como $d$, la densidad numérica de moléculas de ozono como $\rho$, y la sección transversal de absorción como $\sigma(\lambda)$, entonces obtendremos la siguiente expresión para la radiancia espectral transmitida a través de la capa:

$$L_T(\lambda)=L(\lambda)\exp\big(-\sigma(\lambda)\rho d\big).$$

El iluminante más sensato para elegir para mostrar el color de un material en la web es el iluminante CIE D65, cuyo color es el punto blanco del espacio de color sRGB. Su espectro se puede encontrar por ejemplo aquí.

Podemos encontrar el color en el espacio XYZ usando las funciones de coincidencia de color de 1931 de la CIE (se pueden encontrar por ejemplo aquí). La expresión es

$$c_X=\int_{300}^{830}L_T(\lambda)\bar x(\lambda)\,\mathrm d\lambda,$$

y de manera similar para las coordenadas $Y$ y $Z$. Luego, estos pueden transformarse a sRGB usando la matriz de transformación lineal $\mathrm{XYZ}\to\mathrm{sRGB}$ dada por ejemplo aquí y corregida gamma a $\gamma=1/2.2$ para obtener los valores sRGB finales.

Luego, para una densidad numérica de moléculas de ozono de $\rho=10^{25} \frac{\mathrm{molecula}}{\mathrm{m}^3}$ obtendremos los siguientes colores para diferentes grosores de capa:

Por comparación, la columna de ozono típica en la capa de ozono atmosférica es de aproximadamente 300 unidades Dobson, lo que equivale a $2.687\times10^{20}\frac{\mathrm{molecula}}{\mathrm m^2}$; con nuestro $\rho$ elegido anteriormente, esto corresponde a $d=8\,\mathrm{mm}$. Por lo tanto, para la luz del día, la columna de ozono tiene un efecto negligente en el color del cielo (a diferencia de la noche — ¡ver la historia de la absorción de Chappuis!).

Como se puede ver en la gráfica anterior, el tono cambia con el aumento del grosor de la capa. Si normalizamos los valores RGB para ver los tonos de las capas gruesas (esto correspondería a aumentar la potencia del iluminante para compensar la absorción), obtendremos los siguientes tonos:

Tenga en cuenta que los tonos violeta en la gráfica anterior no son precisos: no se pueden representar con precisión en monitores sRGB, por lo que la gráfica solo los aproxima. Deberían ser más saturados. Así es como varía la cromaticidad desde el punto blanco hasta el violeta más intenso con el aumento del grosor de la capa (el triángulo punteado denota el espacio de color sRGB):