Começa Com Um Estrondo

Pergunte a Ethan: o que causou esse notável 'pilar do sol' logo após o nascer do sol?

Uma visão espetacular foi capturada fotograficamente pela fotógrafa amadora Rachel Perry, que viu esse fenômeno óptico incomum cerca de uma hora após o nascer do sol de Virginia Beach, VA. (RAQUEL V. PERRY)

Dizem que ver é acreditar. Mas tudo o que vemos tem que ter uma explicação científica.

Quando você olha para o Sol em um dia de céu claro, normalmente espera ver um orbe de luz ofuscante. Mas de vez em quando, a atmosfera nos surpreende um pouco e nos dá uma visão rara e desconhecida. Rachel Perry, uma fotógrafa amadora de Virginia Beach, escreveu (junto com a foto acima) depois de observar esse fenômeno que ela nunca havia capturado antes.

Na terça-feira, 21 de abril de 2020, o fenômeno astronômico mais notável foi observado nas margens de Virginia Beach VA. Quase 60 minutos após o nascer do sol, aproximadamente às 7h33 EST., vários clarões de luz em forma de cone foram observados emitindo da parte superior e inferior do Sol formando arcos de 22 graus em ambos os lados. ... Qualquer feedback sobre o que testemunhei seria muito apreciado!

A resposta curta é que isso é conhecido como Sun Pillar, mas a ciência por trás disso é completamente fascinante. Vamos mergulhar.

O Sol é frequentemente modelado como um corpo negro perfeito, mas isso é apenas uma aproximação grosseira. Na realidade, há uma série de superfícies que emitem a luz que observamos, uma soma de muitos corpos negros, com características de absorção e emissão sobrepostas. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Se tudo o que tivéssemos para trabalhar fosse a luz emitida pelo Sol, fenômenos ópticos como esse nunca ocorreriam. O Sol emite um conjunto fascinante de luz que podemos modelar grosseiramente como um corpo negro: um absorvedor perfeito que é aquecido a uma temperatura específica, onde irradia energia. É uma excelente aproximação, mas a ciência fez ainda melhor do que essa aproximação.

O Sol não é realmente um corpo sólido e perfeitamente absorvente, mas emite luz de muitas superfícies diferentes ao longo de suas tênues camadas externas. Isso importa, porque as camadas inferiores estão a uma temperatura mais alta do que as camadas superiores, por isso é mais preciso modelar o Sol como a soma de uma série de corpos negros, como você vê acima. Além disso, o Sol contém uma grande variedade de átomos, e esses átomos absorvem luz em frequências específicas (abaixo), o que significa que existem lacunas na luz que realmente deixa o Sol.

O espectro de luz visível do Sol, que nos ajuda a entender não apenas sua temperatura e ionização, mas a abundância dos elementos presentes. As linhas longas e grossas são hidrogênio e hélio, mas todas as outras linhas são de um elemento pesado. Muitas das linhas de absorção mostradas aqui estão muito próximas umas das outras, mostrando evidências de estrutura fina, que pode dividir dois níveis de energia degenerados em níveis próximos, mas distintos. (NIGEL SHARP, NOAO / OBSERVATÓRIO NACIONAL SOLAR EM KITT PEAK / AURA / NSF)

À medida que viaja pelo vazio do espaço vazio, essa luz simplesmente se espalha em uma forma esférica à medida que irradia omnidirecionalmente para longe do Sol. Se vivêssemos em um mundo sem atmosfera, esta é exatamente a luz que observaríamos: a mesma luz que o próprio Sol irradia.

Mas vivemos no planeta Terra, o que – para um astrônomo, pelo menos – é como ver todo o Universo do fundo de uma piscina. Nossa atmosfera absorve, dispersa ou reflete uma grande parte da luz solar que a atinge, mesmo em um dia perfeitamente claro. A luz absorvida é re-irradiada como luz infravermelha; a luz espalhada afeta diferentes comprimentos de onda em diferentes graus e torna o céu azul; a luz refletida retorna ao espaço. A maior parte da luz do sol que atinge nossa atmosfera passa, no entanto, e é isso que observamos quando está perfeitamente claro.

Janelas de transmissão atmosférica em função do comprimento de onda. As mesmas características de absorção que dificultam a medição do Universo a partir da superfície da Terra permitiriam que alienígenas distantes detectassem a composição de nossa atmosfera. Observe que mesmo a luz visível, para a qual a atmosfera é em grande parte (mas não totalmente) transparente, ainda impede que grandes frações da luz solar incidente nos atinjam na superfície. (ENGL / EMIR CARSTEN STECH (TOP, COM RECURSOS DE ABSORÇÃO/TRANSMISSÃO); NASA / WIKIMEDIA COMMONS USER MYSID (BAIXO), EDIÇÃO DE E. SIEGEL)

Agora, temos que adicionar mais uma camada de complexidade para entender o que está acontecendo: as propriedades de nossa atmosfera. Se você pensou que nossa atmosfera era cerca de 4 partes de nitrogênio para 1 parte de oxigênio, parabéns, pois é exatamente disso que a maior parte da atmosfera da Terra é composta. Há cerca de 1% de argônio polvilhado lá, junto com vestígios de dióxido de carbono, metano e outros gases também.

Mas a atmosfera também contém vapor de água: em grandes quantidades (cerca de 1-2%) que variam com o tempo e condições específicas. Além disso, a atmosfera também tem gradientes de temperatura severos, o que faz algo muito interessante quando você joga vapor de água na mistura. Em algum momento, a temperatura será tal que a água não permanecerá mais na fase gasosa e se condensará em gotículas líquidas (formando as nuvens com as quais você está familiarizado) ou entrará na fase sólida, formando gelo .

Um cristal de neve hexagonal com aro, sob um microscópio eletrônico, mostra as incríveis complexidades e imperfeições em sua estrutura que nunca podem ser perfeitamente replicadas em nível molecular. As faces hexagonais, no entanto, são uma propriedade quase universal dos cristais de gelo devido aos ângulos de ligação das moléculas de água. (LABORATÓRIO DE MICROSCOPIA ELETRÔNICA E CONFOCAL, SERVIÇO DE PESQUISA AGRÍCOLA, DEPARTAMENTO DE AGRICULTURA DOS EUA)

Embora você possa pensar no gelo atmosférico na forma de granizo ou granizo, o que é realmente muito mais comum, principalmente em altitudes muito altas, é que cristais muito pequenos são formados no alto da atmosfera. Esses cristais não se parecem com os flocos de neve complexos aos quais você está acostumado, mas preferencialmente formam uma forma hexagonal: uma das formas mais comuns para cristais de gelo feitos de um pequeno número de moléculas de água.

Todos os cristais de gelo de formato hexagonal têm os mesmos ângulos em seus vértices, o que leva aos mesmos ângulos de reflexão para qualquer luz solar que os atinja. Essas mesmas propriedades ópticas que estão em jogo na atmosfera em geral — refração, reflexão, transmissão, espalhamento, etc. — ainda ocorrem entre esses cristais de gelo, mas os resultados são muito mais impressionantes e espetaculares. A simetria hexagonal pode fazer pilares longos (conhecidos como colunas) ou placas finas , mas todos eles têm os mesmos ângulos entre cada uma de suas faces.

Tanto os cristais de placa, orientados como mostrado, quanto os cristais de coluna, se orientados horizontalmente, podem causar o fenômeno do pilar de luz. Os cristais de placa, no entanto, só podem fazer isso de forma eficaz se o Sol (ou fonte de luz) estiver muito próximo ou abaixo do horizonte. Se o Sol, por exemplo, estiver entre 6 e 20 graus acima do horizonte, são necessários cristais de coluna para produzir pilares de luz. (V1ADIS1AV / WIKIMEDIA COMMONS)

Quando esses cristais são criados, eles são sempre mais pesados que o ar, o que é verdade para todas as formas de gelo. À medida que esses cristais de gelo começam a cair, eles são retardados pela resistência do ar, e o equilíbrio específico entre a resistência do ar e os próprios cristais determinará sua orientação em relação à nossa linha de visão. Os cristais de placa normalmente deslizam para baixo como folhas, com a face grande paralela ao solo, enquanto os cristais de coluna são normalmente orientados horizontalmente.

Quando a luz do sol atinge esses cristais, no entanto, sempre faz com que a luz seja refletida em um conjunto de ângulos previsíveis, enquanto só somos capazes de observar a luz que está no ângulo certo para atingir nossos olhos. Isso normalmente se manifesta de apenas três maneiras:

um grande halo de luz que está em um ângulo de separação específico (22°) do Sol (de cristais orientados aleatoriamente),
um pilar de luz devido a reflexões verticais de cristais de placa (quando o Sol está muito próximo do horizonte) ou cristais de coluna (quando o Sol está um pouco mais alto),
ou uma combinação dos dois efeitos, onde cristais horizontais refletem a luz das partes verticais de uma auréola, criando o efeito de auréola alargada conhecido como cão do sol.

O efeito de arco-íris visto à direita é devido a cristais de gelo de altitude muito alta que afetam o fenômeno óptico de um cão do sol, que é causado por cristais de gelo particularmente orientados acima e abaixo do halo de 22 graus que circunda o Sol nesta imagem . O próprio Sol parece completamente branco, enquanto uma combinação de gelo e água cria o efeito do arco-íris à sua direita. (KOBIE MERCURY-CLARKE / FLICKR)

O fato de a foto em questão ter sido tirada cerca de uma hora após o nascer do sol indica que o efeito do pilar dominante se deve em grande parte aos cristais da coluna que estão caindo na atmosfera, acima e abaixo da localização aparente do Sol. Dada a data, hora e local do evento, o Sol está aproximadamente 9° acima do horizonte no momento em que esta fotografia foi tirada.

Investigações sobre as propriedades ópticas de vários pilares de luz (que incluem não apenas pilares solares, mas pilares semelhantes devidos à Lua ou qualquer outra fonte de luz, mesmo artificial) nos ensinaram que os cristais de placas finas são responsáveis pelos pilares onde o Sol está abaixo ou muito próximo (dentro de 6°) do horizonte, enquanto os cristais de coluna orientados horizontalmente são os principais responsáveis pelos pilares quando o Sol está em posições mais altas (até 20° acima do horizonte). A causa dominante deste pilar observado, portanto, é provavelmente devido aos cristais da coluna.

O halo elíptico ao redor do próprio Sol, bem como os pilares verticais que se estendem acima e abaixo do Sol, são exemplos de fenômenos causados por cristais de gelo na atmosfera, entre o Sol e o observador ao longo de nossa linha de visão. Alguns dos efeitos dos raios, no entanto, são certamente devidos à própria câmera, como você pode ver pelos raios que emergem da beira da água na parte inferior da foto. (RAQUEL V. PERRY)

O que é fascinante sobre esse pilar solar em particular que foi capturado aqui é que ele vem com um fenômeno óptico ainda mais raro: um halo elíptico. Os halos elípticos são raramente visíveis e são um dos fenômenos ópticos menos bem compreendidos que observamos em nossa atmosfera. Pode haver até três anéis elípticos vistos ao mesmo tempo ao redor do Sol, mas normalmente eles ficam totalmente perdidos no brilho intenso do Sol.

Embora não saibamos ao certo o que causa esses halos elípticos, uma abordagem fascinante é simular o que poderia criar esse fenômeno óptico com rastreamento de raios . Em vez de cristais de placa hexagonal ou coluna, é plausível que alguns desses cristais possam ser placas defeituosas: onde as faces superior e inferior não são completamente planas, mas são pirâmides muito rasas, com ângulos que se afastam da planicidade perfeita em apenas 1° -a-3°.

Em vez de uma forma hexagonal em forma de coluna ou placa, com faces planas na parte superior ou inferior, uma forma ligeiramente piramidal, onde o ângulo do vértice é apenas de 1 a 3 graus da planicidade perfeita, poderia explicar os halos elípticos vistos estar cercando o Sol nesta imagem. É um fenômeno óptico sem uma causa claramente identificada. (JAAP BAX)

Mas também temos que ter cuidado ao atribuir 100% dos fenômenos ópticos que vemos aqui apenas à atmosfera. Muitas vezes, principalmente quando se trata de fotografar objetos brilhantes como o Sol, há reflexos internos e efeitos ópticos que ocorrem dentro dos componentes da própria câmera. Muitos dos raios que você vê em fotos como essa podem não aparecer aos seus olhos; isso fica claro quando você percebe os raios saindo do reflexo da água, que só se vê em fotografias, não em observações diretas.

No entanto, tanto o pilar quanto o halo elíptico são definitivamente reais, e o fotógrafo teve muita sorte de poder capturá-los. Menos de 1 em 1.000 pôr-do-sol e nascer do sol contêm esses fenômenos notáveis; para todos que podem ver ou experimentar um por si mesmos, aprecie que você está sendo tratado com algo que a maioria dos humanos nunca encontrará nem uma vez.

Uma série de pilares de luz foram observados aqui sobre Ontário, Canadá, mas não são devidos ao Sol ou à Lua, mas sim às fontes de luz artificiais terrestres que estão abaixo do horizonte. Os pilares de luz são devidos aos reflexos dos cristais de gelo na atmosfera: o mesmo fenômeno responsável pelos pilares do sol, cães do sol e os raros halos elípticos ocasionalmente vistos ao redor do Sol ou da Lua. (TIMMYJOEELZINGA / C.C.A.-S.A.-4.0)

Quase todos os fenômenos atmosféricos que resultam na luz aparecendo em um local diferente onde a fonte principal é devido a cristais de gelo ou gotículas de água na atmosfera. Enquanto arco-íris e glórias surgem de gotículas de água, quase tudo o que observamos é devido a cristais de gelo. Haloes, pilares, sundogs, subsuns (a luz brilhante que você vê de aviões na direção oposta do Sol) e muito mais surgem da mesma fonte: minúsculos cristais de gelo.

Aqui, somos tratados não apenas com o fenômeno do pilar solar, mas também com um conjunto de halos elípticos muito raros, possibilitados apenas pelas condições certas que ainda estão em processo de serem descobertas. Seja qual for a causa, é mais um lembrete para apreciar as vistas espetaculares que o mundo natural tem a oferecer. Você nunca sabe como isso vai acabar surpreendendo e surpreendendo você, a menos que você olhe.

Envie suas perguntas Ask Ethan para beginwithabang no gmail ponto com !

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium com um atraso de 7 dias. Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .