La disminución de la visibilidad se describe de manera sencilla como el enturbiamiento del aire que Lafecta la claridad, el color, la textura y la forma de los objetos que vemos a través de la atmósfera. Es un fenómeno complejo que depende de las emisiones de algunos contaminantes del aire y por factores naturales como la temperatura, humedad, meteorología, la hora del día y la luz solar.

La reducción de la visibilidad en la atmósfera es provocada por la dispersión y/o la absorción de la luz. La dispersión está asociada con partículas pequeñas (menores a 1 micrómetro) y a ciertos gases y puede presentarse en el día o durante la noche. Durante el día, la disminución de la visibilidad impide que los objetos se vean claramente a la distancia, es este fenómeno el que comúnmente se usa para juzgar el estado de la calidad del aire. Durante la noche, la luz proveniente de las lámparas de la calle y las casas es reflejada por las partículas en el aire e impiden observar las estrellas en el cielo.

Algunos factores naturales que causan una visibilidad pobre son un alto contenido de humedad en el aire, la formación de niebla, neblina y la presencia de nubes bajas. La contaminación por partículas suspendidas, principalmente aquellas menores a 2.5 micrómetros (PM_2.5), tiene un fuerte impacto en la visibilidad. Cuando se combinan elevados niveles de contaminación con la presencia de valores altos de humedad relativa (mayor al 60%) se observa una notable reducción en la visibilidad.

Otros factores naturales y ópticos que influyen en la disminución de la visibilidad son el contenido de humedad en el aire, el ángulo del sol, la intensidad de la luz y el ángulo de reflexión sobre las superficies.

Bajo condiciones de estabilidad atmosférica o de inversión térmica los aerosoles quedan atrapados en ciertas capas de la atmósfera y pueden forman una capa de bruma sobre la ciudad. A medida que transcurre el día y se calienta la atmósfera y el suelo, se produce un movimiento vertical que engrosa la capa y la diluye, este movimiento junto con el desplazamiento horizontal del viento contribuye a dispersar las partículas mejorando gradualmente la visibilidad.

La bruma es provocada por partículas muy finas (menores a 1 micrómetro) que dispersan y absorben la luz antes de esta llegue al observador. A medida que el número de partículas se incrementa, se absorbe y/o dispersa una mayor cantidad de luz provocando una menor claridad, color y rango visual. Las partículas finas están compuestas por cinco tipos de componentes más abundantes que contribuyen de manera directa a su capacidad de disminuir la visibilidad. Estos componentes son los sulfatos, los nitratos, el carbono orgánico, el carbono elemental y el polvo del suelo.

Cuando las partículas interactúan con la luz, se pueden presentar dos fenómenos que afectan la visibilidad. 1) La energía recibida puede ser re-irradiada por las partículas en la misma longitud de onda en diferentes direcciones y con diferentes intensidades, este proceso se le conoce como dispersión; 2) la energía puede transformarse en otras formas de energía tales como calor o energía química, este proceso se conoce como absorción.

La dispersión depende fundamentalmente de la longitud de onda de luz (λ) y del tamaño de la partícula, la manera en que la onda de luz es dispersada está en función de su diámetro. Cuando el diámetro de la partícula es mucho menor que λ ocurre un fenómeno conocido como dispersión de Rayleigh; cuando el diámetro es similar a λ, se produce la dispersión de Mie; cuando el diámetro es mucho mayor que λ la dispersión se comporta de acuerdo a las leyes de la dispersión óptica. La luz que llega a la superficie proveniente del sol se encuentra en un intervalo que va de 290 a 750 nm, las partículas que se encuentran en el primer caso tienen un tamaño de menor a 0.03 micrómetros, las partículas del tercer caso tienen un diámetro mayor a aproximadamente 10 micrómetros. Las partículas que se encuentran entre estos dos valores se encuentran dentro de la segunda categoría donde D es más o menos similar a λ.

El grado de dispersión de Rayleigh que sufre un rayo de luz depende del tamaño de las partículas y de la longitud de onda de la luz, la intensidad de la luz dispersada depende inversamente de la cuarta potencia de la longitud de onda, relación conocida como Ley de Rayleigh. La intensidad I de la luz dispersada por una pequeña partícula en un haz de luz de longitud de onda λ con intensidad I0, viene dada por:

I=I0 1+cos2θ ( 2π )4 ( n2-1 )2 ( d )6 2R2 λ n2+2 2

(4)

donde R es la distancia a la partícula, θ es el ángulo de dispersión, n es el índice de refracción de la partícula y d es el diámetro de la partícula. La distribución angular de la dispersión de Rayleigh, que viene dada por la fórmula (1+cos2θ), es simétrica en el plano normal a la dirección de la luz incidente, por tanto la luz dispersada en la dirección del haz iguala a la luz dispersada en la dirección opuesta.

La visibilidad atmosférica está limitada por partículas con un tamaño en el mismo orden que λ, de 0.1 a 1 micrómetro. En este rango la teoría de Rayleigh no es aplicable debido que el campo no es uniforme en todo el volumen de la partícula. Sin embargo, estas partículas son demasiado pequeñas para aplicar la teoría de la dispersión óptica. Como resultado se aplica una teoría más complicada derivada de la solución de la ecuación de Maxwell, conocida como solución de Mie (en algunas referencias se hace mención a la solución de Mie como la teoría de Mie).

Mientras que en el caso de la dispersión de Rayleigh, esta ocurre de manera casi equivalente en la dirección del haz incidente y en dirección opuesta a este, en la dispersión de Mie la dispersión se da preferentemente en la dirección del haz incidente.

El hecho de que la luz se disperse preferentemente en diferentes direcciones en función de su tamaño es importante para determinar los efectos que las partículas tienen en los recursos visuales. La relación angular entre el sol y el observador junto con el tamaño de las partículas determina que tanta luz es redistribuida hacia el ojo del observador. Los efectos de las partículas en la visibilidad se complican por el hecho de que las partículas de diferentes tamaños son capaces de dispersar la luz con diversos grados de eficiencia. Las partículas más pequeñas son poco eficientes para dispersar la luz. A medida que incrementan de tamaño se vuelven más eficientes, cuando el tamaño es casi similar a la longitud de onda, estas pueden dispersar más luz que una partícula de un tamaño cinco veces mayor.

Las partículas pueden absorber luz en la atmósfera, la energía radiante absorbida se convierte en calor. Se sabe que las partículas de carbón son las especies responsables de la mayor parte de la absorción en las atmósferas urbanas.