Pergunte a Ethan: Por que a atmosfera da Terra não transforma a luz do sol em arco-íris?
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; o próprio Sol parece completamente branco. Crédito da imagem: usuário do flickr Kobie Mercury-Clarke sob cc-by-2.0.
Se um prisma pode fazer isso, por que não o ar?
É uma superfície brilhante naquela luz do sol. O horizonte parece bem próximo de você porque a curvatura é muito mais pronunciada do que aqui na Terra. É um lugar interessante para se estar. Eu recomendo. – Neil Armstrong
A luz do sol pode ser o brilho brilhante e quente que aquece e alimenta a Terra, mas é muito mais do que isso. Se você passar a luz do sol por um prisma, poderá ver como ela é composta de todos os diferentes comprimentos de onda da luz visível, do violeta ao vermelho. Se você tivesse visão estendida, poderia ver que a radiação ultravioleta e infravermelha também fazia parte disso. Ver que a luz do sol é composta por todo o espectro de cores nem requer nada feito pelo homem, pois as gotas de água devidamente orientadas podem criar esse efeito de arco-íris de forma completamente natural. Então, por que a atmosfera da Terra não faz isso sozinha? Essa é a pergunta feita por Richard Harris, que quer saber:
Eu me perguntei por que a luz branca que passa pela atmosfera da Terra não se separa nas cores do arco-íris. É porque o ar é muito difuso e não há distância suficiente de viagem quando o sol está no céu? Quando o sol está próximo do horizonte, para que haja uma distância maior a ser percorrida, ele aparece vermelho. As outras cores seriam visíveis a partir da altitude crescente do observador?
Para entender por que a luz se comporta como se comporta, vamos começar com o exemplo do prisma.
A ilustração da luz passando por um prisma dispersivo e se separando em cores claramente definidas. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Spigget, sob c.c.a.-s.a.-3.0.
Quando a luz – não apenas a luz solar, mas luz de qualquer tipo – passa por um meio, sua velocidade muda. A velocidade da luz pode ser uma constante universal ( c , ou 299.792.458 m/s), mas isso só é verdade se estiver se movendo no vácuo. Se você passar a luz através de um meio, que é qualquer coisa feita de partículas, incluindo ar, água, vidro, acrílico, quartzo, etc., a luz viaja a uma velocidade mais lenta. Por causa das leis de conservação, essa luz é obrigada a se curvar em um ângulo quando entra no meio em um ângulo.
Mas a luz também vem em cores diferentes porque os fótons individuais, os quanta de luz, têm energias diferentes uns dos outros. Quando a luz vai do vácuo para um meio, os diferentes comprimentos de onda respondem de forma ligeiramente diferente: a luz violeta se curva mais severamente e se move mais lentamente em um meio; a luz mais vermelha se curva menos severamente e se move menos lentamente do que a luz violeta. Este processo é conhecido como refração.
Animação esquemática de um feixe contínuo de luz sendo disperso por um prisma. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons LucasVB.
Quando há grandes diferenças entre a velocidade da luz no vácuo e a velocidade da luz em um meio, as cores se separam facilmente. Na água, a velocidade da luz é apenas 75% do que é no vácuo, e é por isso que as gotas de água podem criar arco-íris com tanta facilidade. O gelo é quase o mesmo: 76%, e é por isso que às vezes você verá arco-íris irregulares ocorrendo em nuvens de alta altitude, devido aos cristais de placas hexagonais que se formam lá em cima. Em um prisma de vidro ou acrílico, a velocidade da luz é aproximadamente 66% do que é no vácuo, e é por isso que os raios de sol brilhando através deles os separam em cores com tanta facilidade. Mas no ar – como a atmosfera da Terra – a velocidade da luz ainda é 99,97% do que é no vácuo. No entanto, se você voar em um avião em grandes altitudes e olhar para o horizonte no céu pré-nascer ou pós-sol, provavelmente verá todo o espectro de cores.
De altitudes muito altas nos céus pré-nascer ou pós-sol, um espectro de cores pode ser visto, mas não é devido aos mesmos efeitos de arco-íris que você está acostumado. Imagem de domínio público.
Seu não , no entanto, devido ao fenômeno de refração! Em vez disso, um fenômeno óptico diferente conhecido como espalhamento é o que está em jogo. O ar não é apenas um meio contínuo, mas é composto de partículas como átomos, moléculas, gotículas e grãos de poeira. A maioria das partículas presentes são muito pequenas e, portanto, dispersam preferencialmente a luz cujos comprimentos de onda são pequenos: luz violeta/azul, em vez de luz vermelha. É por isso que o céu parece azul durante o dia, pois a luz mais azul do Sol se espalha por todas as regiões do céu, onde nossos olhos podem captá-las. Ao pôr do sol, a luz azul é principalmente dispersa, enquanto a luz vermelha passa com sucesso, tornando o céu (e o Sol) vermelho.
Quanto mais baixo no céu o Sol está, mais atmosfera ele tem que passar e, portanto, mais vermelha parece ser a luz dele. Imagem de domínio público.
Isso pode ser visto até mesmo durante um eclipse lunar total, onde a Lua cheia, passando pela sombra da Terra, fica vermelha. A luz solar que filtra a atmosfera da Terra e chega à superfície da Lua é refletida de volta à Terra, mas é quase 100% de luz vermelha. Praticamente toda a luz azul foi espalhada pelas grandes quantidades de atmosfera pela qual teve que passar no caminho.
Ao passar por uma grande quantidade de atmosfera, os comprimentos de onda mais azuis da luz são principalmente espalhados, enquanto a luz vermelha pode atravessar e pousar na superfície lunar durante um eclipse total. Crédito da imagem: NASA.
Mesmo que o ar seja um meio tão ruim para refratar a luz – o fato de que a luz ainda viaja a 99,97% de sua velocidade de vácuo garante isso – há uma configuração cuidadosa que pode resultar na divisão da atmosfera da luz solar (ou luar) em seus componentes do arco-íris. Apenas no momento do nascer/pôr-do-sol (ou nascer/pôr da lua), essa luz branca tem que passar pela maior quantidade de atmosfera, encontrando-a no ângulo mais íngreme possível. Enquanto a maior parte da luz mais azul (violeta, azul, verde, etc.) se dispersa, uma pequena quantidade consegue passar. Quanto mais azul a luz, mais curvada ela é, ainda que levemente, devido à atmosfera. A luz vermelha, por outro lado, é dobrada um pouco menos. E, como resultado, no topo do orbe distorcido e descolorido do Sol ou da Lua, às vezes você pode ver um pequeno flash extra de luz verde ou mesmo azul, enquanto abaixo você pode ver um pouco mais de vermelho.
O Sol (ou Lua) nascente ou poente pode produzir uma imagem de luz mais verde ou ainda mais azul sobre ele (L) e luz mais vermelha abaixo (R), devido aos minúsculos efeitos refrativos da atmosfera da Terra. Crédito das imagens: Mario Cogo (E) e Stefan Seip (D).
Esse efeito sutil é o mais próximo da refração atmosférica que você terá na Terra. Se o ar fosse mais denso, se a atmosfera fosse mais espessa ou tivesse uma composição diferente, de maior peso molecular, o índice de refração poderia ser maior (e a velocidade da luz seria menor), e poderíamos ver um arco-íris maior. como efeito. Mas com a velocidade da luz no ar atingindo 99,97% de seu valor de vácuo, esse pequeno desvio de 0,03% é tudo o que temos para causar a separação do arco-íris que você está procurando. Quando as gotas de água são onipresentes e o ângulo está certo, os arco-íris podem ser abundantes, mas isso se deve à água, não ao ar.
Os arco-íris primário (mais brilhante) e secundário (externo) são devidos à luz solar interagindo com gotículas de água, enquanto os arco-íris restantes surgem de reflexões adicionais na água abaixo. Crédito da imagem: Terje O. Nordvik via NASA's Astronomy Picture of the Day at https://apod.nasa.gov/apod/ap070912.html .
Em vez disso, a maioria dos efeitos de coloração atmosférica que vemos são devidos à dispersão, com a luz azul espalhada facilmente e a luz vermelha com menos facilidade. Torna o céu azul e o pôr do sol/lua vermelho, com um gradiente agradável geralmente visível sob as condições certas. Se a atmosfera fosse feita de gás benzeno em vez de ar, as propriedades refrativas seria seis vezes maior do que eles , e você pode realmente obter sua separação do arco-íris durante o nascer/pôr do sol ou o nascer/pôr da lua. Mas se você quiser separar suas cores, sua melhor aposta é usar um índice de refração mais alto. Como Dolly Parton sempre disse, do jeito que eu vejo, se você quer o arco-íris, você tem que aguentar a chuva.
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