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Aplicaciones de luz polarizada
Tradicionalmente, se conoce como contaminación lumínica al exceso de luz artificial que ilumina el exterior y el interior de espacios como ciudades, hogares, fábricas, vialidades, parques, etc. Este fenómeno produce efectos sobre la salud de las personas, siendo los más importantes la alteración de los ritmos circadianos y el decremento de la generación de melatonina. Por otro lado, este exceso de luz produce otros efectos que trastornan seriamente los ecosistemas y la vida de la flora y fauna que nos rodea. Por ejemplo, algunos animales usan la luz para cazar y otros usan la oscuridad para protegerse. Por eso, la contaminación lumínica puede alterar radicalmente el ecosistema a su alrededor. Un tipo de contaminación lumínica que ha recibido poca atención es la contaminación por luz polarizada, esta se refiere a la luz altamente polarizada reflejada por superficies artificiales, que altera los patrones naturales de luz polarizada que experimentan los organismos en los ecosistemas¹.

Figura1. Diferentes tipos de polarización de la luz. Las líneas azules indican el campo eléctrico en un instante y las líneas rojas la trayectoria del extremo del vector del campo eléctrico. En todos los casos, la onda electromagnética se desplaza en la dirección del eje z

Pero ¿qué es la luz polarizada y cómo se produce? Teóricamente, la luz se puede describir como una onda vectorial electromagnética, con una amplitud y una dirección de un campo eléctrico y un campo magnético en cada punto del espacio. Al comportamiento de la dirección y amplitud del campo eléctrico con la propagación de la onda se le conoce como polarización de la luz. Algunos ejemplos de polarización son (ver la Figura 1): polarización lineal, en donde el vector de campo eléctrico oscila siempre en el mismo plano; polarización circular, en donde el vector de campo eléctrico gira alrededor de un eje paralelo al vector de onda, el cual apunta en la dirección de propagación del haz, realizando un giro completo en la distancia de la longitud de onda de la luz (del orden de 550 nm, en donde 1nm = 10-9 m, considerando que la luz visible abarca el rango de 400 nm (azul) a 700 nm (rojo)); y luz no-polarizada, en donde no hay una dirección preferencial para el vector de campo eléctrico y la polarización cambia aleatoriamente con el tiempo y posición. Este último caso es conocido también como luz natural, porque es el caso de la luz del sol, y también de cualquier otra fuente térmica. Cuando este tipo de luz es reflejada por una superficie lisa como, por ejemplo, la de un cuerpo de agua, el vidrio de una ventana, la superficie de un automóvil, o incluso el asfalto húmedo; puede sufrir una polarización total o parcial (ver Figura 2), de acuerdo a lo descrito por las ecuaciones de Fresnel de la óptica². La contaminación lumínica polarizada incluye, principalmente, a la luz que ha sufrido una polarización lineal al reflejarse en edificios, pisos u otros objetos artificiales, o al dispersarse en la atmósfera o la hidrosfera en momentos y lugares no naturales

Figura 2. La luz polarizada producida por superficies artificiales puede atraer insectos polarotácticos

La polarización es importante para organismos que presentan polarotaxis, es decir, que su visión es sensible a esa propiedad de la luz y que presentan atracción (polarotaxis positiva) o repulsión (polarotaxis negativa) hacia ella. Un ejemplo típico son los insectos semi-acuáticos, tales como libélulas, caballitos del diablo, algunos tipos de escarabajos y chinches, entre otros¹. Se ha determinado que la luz con polarización lineal horizontal, que se produce en forma natural en cuerpos de agua como estanques y lagos, es esencial para que estos insectos identifiquen los sitios ideales para reproducirse. En ambientes urbanos existen una gran variedad de superficies artificiales como pisos de asfalto, paneles solares, automóviles y edificios de cristal que producen luz linealmente polarizada a partir de la reflexión de luz natural o de fuentes artificiales, incluso más intensamente que los cuerpos de agua. Esto ocasiona que muchas especies de insectos semi-acuáticos, incluidos aquellos activos en el crepúsculo, seleccionen a dichas superficies como hábitat en vez de los cuerpos de agua, lo cual reduce la capacidad de su población para sobrevivir y reproducirse. A este fenómeno se le conoce como trampa ecológica (ver Figura 3).

Figura3. Ejemplos típicos de trampa ecológica ¹. (a) Insectos polarotácticos adheridos a la superficie de un automóvil. (b) Insectos posados sobre el vidrio de una ventana.

En la literatura, se reportan algunos estudios que proponen posibles medidas de mitigación de trampas ecológicas por luz polarizada1 . Sin embargo, los trabajos que se han realizado se enfocan en el estudio de unas pocas superficies polarizadoras iluminadas con luz de día, y las propuestas de mitigación de trampas ecológicas son todavía muy pobres. El estudio de estos fenómenos con luz artificial es aún más escaso, por lo que este tema ofrece una importante oportunidad de trabajo de investigación. Actualmente, un equipo de investigación multidisciplinario formado por los doctores Giovanna Villalobos y León Felipe Dozal del CentroGeo, Unidad Aguascalientes, y el doctor Juan Manuel López del CIO, Unidad Aguascalientes, trabaja en el desarrollo de técnicas de análisis de imágenes panorámicas para detectar y evaluar trampas ecológicas a nivel paisaje. En particular, se desarrollan y ensayan herramientas para realizar análisis geoespaciales inteligentes mediante programación genética que permitirá localizar sitios que representen trampas ecológicas por luz polarizada para insectos semiacuáticos. A partir del uso de técnicas de polarimetría de imágenes y percepción remota, se obtienen datos para entrenar los algoritmos computacionales desarrollados para dicho análisis. El estudio, además, se enfoca en la caracterización de diferentes tipos de superficies polarizadoras por reflexión de luz, entre las que se encuentran: edificios de cristal, suelos de asfalto, paneles solares, y automóviles estacionados. La información obtenida con este estudio será de utilidad para complementar las normas para iluminación de espacios públicos en materia de mitigación del impacto de la contaminación por luz polarizada nocturna. Además, se contribuye al mejoramiento de la planeación urbana, desarrollo de ciudades sustentables, y predicción de efectos a nivel paisaje para la conservación de especies polarotácticas.

Referencias:
1 Horváth, G. (2014) Polarized Light and Polarization Vision in Animal Sciences (2da edición). Springer Berlin Heidelberg, pp. 443–513.
2 Para mayor información sobre este tema, consultar https://en.wikipedia.
org/wiki/Fresnel_equation