ÓPTICA
Prof. Alberto Ricardo Präss
A cor do céu
Olhar para o céu é uma experiência tão comum que raramente pensamos no motivo de ele apresentar sua característica coloração azul. Desde a infância estamos habituados a essa paisagem e, justamente por parecer tão natural, ela esconde um dos exemplos mais elegantes da Física: a interação entre a luz do Sol e a atmosfera terrestre.
Quando observamos o Sol, imaginamos facilmente que seus raios viajam em linha reta até nossos olhos. As sombras produzidas por árvores, edifícios e outros objetos confirmam essa ideia. Entretanto, quando olhamos para uma região do céu distante do Sol, normalmente esquecemos que a luz solar também atravessa aquela porção da atmosfera. O que vemos não é um vazio iluminado, mas sim luz que foi desviada inúmeras vezes pelas moléculas presentes no ar.
O céu não possui cor própria. A aparência azul resulta do espalhamento da luz solar pelas moléculas que compõem a atmosfera terrestre.
A luz branca é formada por várias cores
Embora a luz do Sol pareça branca, ela é composta por todas as cores do espectro visível. Cada cor corresponde a um comprimento de onda diferente.
As cores vermelhas possuem os maiores comprimentos de onda, enquanto o azul e o violeta apresentam os menores.
O espalhamento de Rayleigh
O ar parece completamente transparente, mas não é um meio perfeito para a propagação da luz. A atmosfera é formada principalmente por moléculas de nitrogênio e oxigênio. Essas moléculas funcionam como pequenos centros espalhadores, desviando parte da luz incidente em todas as direções.
Quando as partículas espalhadoras são muito menores que o comprimento de onda da luz, ocorre um fenômeno denominado espalhamento de Rayleigh, explicado matematicamente pelo físico britânico Lord Rayleigh em 1871.
Essa relação mostra que a intensidade do espalhamento é inversamente proporcional à quarta potência do comprimento de onda.
Em outras palavras, quanto menor o comprimento de onda da luz, maior será o espalhamento.
A luz azul é espalhada aproximadamente dez vezes mais intensamente do que a luz vermelha. Como consequência, ela chega aos nossos olhos proveniente de todas as direções do céu.
Curiosidade
A teoria prevê que a luz violeta deveria ser espalhada ainda mais intensamente que a azul. Então por que o céu não é violeta?
- O Sol emite menos luz violeta.
- Nossos olhos são muito menos sensíveis ao violeta.
- Parte da radiação violeta é absorvida pela camada de ozônio.
A combinação desses fatores faz com que percebamos o céu principalmente na cor azul.
Por que as nuvens são brancas?
As gotículas de água que formam as nuvens são milhares de vezes maiores que as moléculas do ar. Nessa situação ocorre outro tipo de espalhamento, conhecido como espalhamento de Mie.
Ao contrário do espalhamento de Rayleigh, esse processo praticamente não seleciona as cores da luz. Todas são espalhadas de maneira semelhante.
Como todas as cores permanecem misturadas, nossos olhos percebem a luz como branca.
| Fenômeno | Resultado |
|---|---|
| Espalhamento de Rayleigh | Céu azul |
| Espalhamento de Mie | Nuvens brancas |
Por que o pôr do Sol é vermelho?
Ao meio-dia, a luz solar percorre uma pequena espessura da atmosfera antes de chegar até nós. Apenas uma pequena parcela da componente azul é espalhada para fora do feixe principal.
No nascer e no pôr do Sol, entretanto, a situação muda completamente. Como o Sol está próximo do horizonte, sua luz precisa atravessar uma camada muito mais espessa da atmosfera.
Durante esse longo percurso, praticamente toda a componente azul já foi espalhada. Restam principalmente as componentes vermelha, laranja e amarela, fazendo com que o Sol adquira coloração avermelhada.
Experimento em casa
Você pode reproduzir esse fenômeno usando materiais simples.
- Encha um copo transparente com água.
- Adicione duas ou três gotas de leite.
- Misture bem.
- Ilumine o copo com uma lanterna lateralmente.
Observando o copo de lado, a luz parecerá azulada. Observando a luz que emerge do outro lado, ela ficará amarelada ou avermelhada.
Esse experimento demonstra, em pequena escala, o mesmo mecanismo responsável pela cor do céu.
Você sabia?
- Na Lua o céu é negro, mesmo durante o dia, porque praticamente não existe atmosfera.
- Após uma chuva o céu costuma parecer mais azul porque a água remove poeira e aerossóis da atmosfera.
- Após grandes erupções vulcânicas, o pôr do Sol pode ficar intensamente vermelho durante semanas.
- Astrônomos utilizam o espalhamento atmosférico para estudar a composição da atmosfera terrestre e de exoplanetas.
Resumo
A cor do céu é consequência direta da interação entre a luz solar e as moléculas da atmosfera. O espalhamento de Rayleigh faz com que as componentes azuis da luz sejam desviadas com muito mais intensidade do que as vermelhas. Assim, o céu parece azul durante o dia. As nuvens são brancas porque suas gotículas espalham praticamente todas as cores igualmente. Já o nascer e o pôr do Sol apresentam tons avermelhados porque, nesses momentos, a luz atravessa um caminho muito maior dentro da atmosfera antes de alcançar nossos olhos.