ADE-ARTE: AS CORES DO CÉU - Observatório Nacional

As Cores do Céu

Coleção Observatório Nacional apresenta...

Revista As Cores do Céu - 4ª Parte

A explicação dada por Rayleigh estava correta?

Tanto Tyndall como Rayleigh pensavam que a cor azul do céu terrestre era devido ao espalhamento, sofrido pela luz solar, ao incidir sobre pequenas partículas de poeira ou gotículas de vapor d'água, existentes na nossa atmosfera. Ainda hoje, muitas pessoas repetem essa explicação que não é correta.

Os cientistas notaram que se essa explicação (da cor azul do céu) fosse correta, deveria haver uma grande variação na cor do céu, dependendo das condições climáticas. Note que ao longo do ano, e mesmo durante um dia, as condições de umidade (maior ou menor presença de vapor d'água na atmosfera), assim como a formação de nevoeiros, fariam a cor do céu mudar muito mais, do que observamos na realidade.Os cientistas supuseram então, corretamente, que as moléculas de oxigênio e de nitrogênio, presentes na composição da nossa atmosfera, seriam suficientes para explicar o espalhamento sofrido pela luz solar incidente nela.

Note bem, a explicação de Tyndall e Raleigh estava correta em atribuir a cor do céu a um problema de espalhamento da luz, mas estava errada, ao dizer que esse espalhamento era produzido por poeira e gotículas de água. Na verdade, esse espalhamento é produzido pelas moléculas existentes na atmosfera.

Em um dia claro e sem nuvens, o céu aparece na cor azul porque moléculas que compõem a atmosfera terrestre, espalham mais o comprimento de onda correspondente ao azul do que o comprimento de onda correspondente ao vermelho, entre os vários comprimentos de onda que formam a luz solar, incidente sobre nosso planeta. Essa questão só foi entendida matematicamente, em 1911, quando o físico alemão Albert Einstein deduziu, detalhadamente, a equação que nos dá o espalhamento da luz produzido por moléculas. Logo se verificou que essa expressão estava de acordo com os resultados experimentais e o assunto passou a ser considerado bem entendido.

O espalhamento Mie

Não é somente o espalhamento Rayleigh o responsável pelas cores que, eventualmente, vemos no céu. Existe outro tipo de espalhamento, chamado espalhamento Mie, que também provoca mudanças de cores na nossa atmosfera.

Para ocorrer o espalhamento Rayleigh a luz deve incidir sobre moléculas e partículas muito pequenas, com menos de 1/10 do comprimento de onda da radiação incidente.Só que também existem, em suspensão na atmosfera, partículas maiores que esse limite.

O que ocorre quando a luz incide sobre uma partícula que tem tamanho superior a 1/10 de seu comprimento de onda?

Quando uma luz de determinado comprimento de onda é espalhada por partículas, que possuem tamanho maior do que esse comprimento de onda, ocorre um tipo de espalhamento que possui uma configuração diferente do espalhamento Rayleigh. Esse é o espalhamento Mie, que produz uma configuração semelhante ao lobo de uma antena, dirigido na mesma direção da onda incidente e tão mais intenso e mais definido, quanto maior for o tamanho da partícula espalhadora.

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Revista As Cores do Céu - 3ª Parte

Como é a visão? Como enchergamos?

O olho humano é mostrado abaixo. Na verdade, não é apenas o olho o responsável pela visão, mas sim o conjunto olho-cérebro.

Existem três diferentes tipos de receptores de cores, chamados “cones”, na retina do olho humano. Eles respondem mais fortemente, aos comprimentos de onda do vermelho, azul e verde.

À medida que esses cones são estimulados, em proporções diferentes, nosso sistema de visão constrói as cores que vemos.

É dessa forma que conseguimos a visão colorida.

Mas, se a luz visível é composta por todas essas cores, de diferentes comprimentos de onda, por que o céu é azul?

Por que ele não apresenta todas essas cores que compõem a luz branca?

O que faz a cor azul ser tão especial?

Explicando a cor do céu

A primeira tentativa de explicar corretamente a cor do céu foi feita pelo físico inglês, John Tyndall, em 1859.

Ele descobriu que quando um feixe de luz passava através de um fluido claro, contendo pequenas partículas em suspensão, os comprimentos de onda, da cor azul, eram espalhados mais fortemente do que os comprimentos de onda da cor vermelha. Lembre-se que a cor azul tem um comprimento de onda mais curto do que a cor vermelha.

Isso pode ser facilmente verificado em uma experiência caseira:

Ligue uma lanterna de luz branca e faça o feixe de luz atravessar um tanque de água, com um pouco de leite ou sabão misturado nela. Se você olhar de lado, o feixe luminoso pode ser visto pela luz azul que ele espalha, mas se você olhar a partir da extremidade final do tanque de água, a cor da luz visível, que atravessou todo o tanque de água, será avermelhada.

Alguns anos mais tarde outro físico inglês, Rayleigh, estudou o espalhamento da luz com mais detalhes.

Ele mostrou que a quantidade de luz espalhada é inversamente proporcional à quarta potência do comprimento de onda, se as partículas em suspensão no fluido (líquido ou gás) são suficientemente pequenas. A esse tipo de espalhamento os físicos dão o nome de espalhamento Rayleigh.

Vejamos então, com mais detalhes, como o espalhamento Rayleigh funciona na atmosfera da Terra. Segundo Rayleigh a luz emitida pelo Sol, ao atingir a nossa atmosfera, seria espalhada pelas pequenas partículas que se encontram em suspensão nela.

Como esse espalhamento é inversamente proporcional à quarta potência do comprimento de onda da luz incidente e as várias cores do espectro visível se caracterizam por possuírem comprimentos de onda diferentes, é claro que essas cores não serão espalhadas com a mesma intensidade.

Calma. É fácil ver como isso ocorre!

O espalhamento Rayleigh depende do ângulo, sob o qual o observador está olhando o céu. Por exemplo, o espalhamento Rayleigh visto em ângulos retos, em relação à luz incidente sobre a partícula que está provocando o espalhamento, tem apenas metade da intensidade da luz espalhada “para frente”, ou seja, na mesma direção que o raio incidente.

Da expressão obtida por Rayleigh concluímos que a luz azul (400 nm) é mais espalhada do que a luz vermelha (700 nm) por um fator dado por:

(700/400)4 = 9,3789 (~ 9,4)

Revista As Cores do Céu - 2ª Parte

A energia transportada por uma onda é inversamente proporcional ao seu comprimento de onda. Pela relação existente entre comprimento de onda e frequência, vemos que a energia de uma onda é diretamente proporcional à frequência.

Deste modo:

E = h ν ou E = hc/ λ

Vemos então que quanto maior for λ menor será a energia que a onda transporta, sendo assim cada vez mais difícil detectá-la. Equivalentemente, quanto maior for a frequência ν maior será a energia transportada pela onda.

Por exemplo:

A rádio do Ministério da Educação (rádio MEC) se anuncia como 98,8 FM. Isto significa que seus transmissores emitem uma frequência = 98,8 megahertzs = 98 800 000 ciclos/segundo (do mesmo modo, a onda eletromagnética transmitida pela rádio MEC tem um comprimento de onda de cerca de λ = c/ν = 30 000 000 000/98 800 000 = 303,64 centímetros).

A energia desta onda rádio é obtida fazendo-se:

E = h ν = 6,625 x 10^-27 x 98 800 000 = 6,5 x 10-19 ergs.

Considerando que um erg é aproximadamente a energia que uma mosca gasta ao decolar de uma parede, percebe-se que as ondas rádio não transportam muita energia. Os corpos celestes emitem radiação eletromagnética, de todos os comprimentos de onda, ao mesmo tempo. No entanto, nossos olhos só conseguem perceber a parte do espectro que é chamada de luz visível. Essa é a parte do espectro eletromagnético que nos interessa no momento.

O Espectro Eletromagnético

A luz branca que vemos, como por exemplo, aquela emitida pelo Sol, na verdade é uma mistura de várias cores. Isso foi demonstrado pelo cientista inglês, Isaac Newton, que usou um prisma para separar as diferentes cores que formam a luz branca. A esse conjunto de cores dá-se o nome de espectro.

As cores que formam a luz branca se distinguem pelos seus diferentes comprimentos de onda. A parte visível do espectro, como já vimos, varia do violeta, com um comprimento de onda de cerca de 380 nm (nanômetro (nm) = 10-9 m = 10-7 cm = 10Å) até a cor vermelha, com um comprimento de onda de cerca de 720 nm. Entre essas cores, ou seja, entre esses comprimentos de onda temos o índigo, azul, verde, amarelo e o laranja.

Essa é a origem do arco-íris: a luz branca passa através de gotículas de água em suspensão na atmosfera, e é decomposta nos vários comprimentos de onda (cada um deles correspondendo a uma cor) que a forma. Podemos dizer que a luz branca que vemos é uma mistura de todas as cores presentes em um arco-íris.

Revista As Cores do Céu - 1ª Parte

Por que o céu é azul?

Fenômenos e curiosidades que ocorrem na atmosfera terrestre.

Olhamos para o céu, em um dia sem nuvens, e percebemos uma intensa cor azul.
Por que azul?
Em certos momentos, vemos um entardecer e agora a cor é diferente. O azul é substituído por tons vermelhos e alaranjados.
Por que a mudança?
O que faz o céu possuir essas duas cores em momentos distintos do dia?
Aliás, por que essas cores e não outras? O céu poderia ser verde ou amarelo...
Por que não é?

As cores que vemos no céu, intrigaram os cientistas e muitas teorias foram feitas, tentando explicá-las. Até que, finalmente, com o desenvolvimento da ciência, foi possível explicar as cores do céu, com base nos novos conhecimentos adquiridos.

A explicação aceita hoje é correta, justifica o que vemos, mas... (por que sempre tem um “mas” nas histórias?) não é fácil ser simplificada. Na verdade, o porquê das cores que vemos no céu não é um assunto simples, pois envolve muitos conhecimentos especializados, tais como, a fisiologia do olho humano, a nossa percepção às cores, bem como o processo físico que tem o nome de “espalhamento”.

Para justificar as cores do céu, precisamos falar de diversos fenômenos até, finalmente, chegarmos ao que nos propomos. E para começar, precisamos saber o que é a luz.

O que é a luz?

Ao olharmos para as estrelas vemos que elas emitem luz. Essa luz nada mais é do que uma forma de radiação, parte da energia produzida no interior da estrela, que se propaga pelo espaço. Essa propagação, que ocorre no vácuo do espaço, se dá na forma de uma onda, à qual damos o nome de onda eletromagnética.

Entendendo o que é o comprimento de onda e frequência

Para estudar a radiação emitida pelos corpos celestes, que se apresenta sob a forma de uma onda eletromagnética, precisamos antes definir algumas grandezas básicas do movimento ondulatório.

Caracterizamos uma onda por:

Comprimento de onda: que é a distância entre os máximos de uma onda. O comprimento de onda é representado pela letra grega “lambda” ( λ).

Frequência: que é o número de máximos da onda que passam por segundo por um determinado ponto. A frequência é representada pela letra grega “nu” ( ν).

Número de ondas por segundo

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Símbolo - Unidade de medida

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Frequência    -         ν         -      Hertz (Hz) = ciclos/segundo
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Comprimento -       λ        -      centímetro (cm)
de onda                                      ou Ångstroms (Å) = 10-8 cm
                                                  ou nanômetros (nm) = 10-9 m = 10-7 cm = 10Å
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A velocidade de propagação de uma onda eletromagnética é representada pela letra c e corresponde a:

c = 2,99792458 x 105 km/s ~ 3 x 105 km/s no vácuo

Se ν máximos da onda passam por um determinado ponto a cada segundo, todos eles separados por λ cm, então a velocidade de propagação da radiação eletromagnética é dada por: c = νλ

onde:
c - velocidade de propagação da radiação eletromagnética
ν - frequência
λ - comprimento de onda

Temos, então, que a frequência e o comprimento de onda se relacionam pelas expressões:

ν = c/λ ou λ = c/ν

Luz visível, ondas de rádio, microondas, raios X, todas são formas diferentes da radiação eletromagnética. Cada uma delas está definida em certo intervalo de comprimentos de onda e energia.

Ao conjunto de todos os valores possíveis da radiação eletromagnética, damos o nome de "espectro eletromagnético". Assim, o espectro eletromagnético é o intervalo completo das diversas formas de radiação eletromagnética.