Por que o céu é azul, de acordo com a ciência
A combinação de um céu azul, céu escuro, mais claro perto do horizonte, juntamente com um sol avermelhado no nascer ou no pôr do sol, pode ser explicada cientificamente. Aqui está como. Crédito da imagem: Robert Villalta / Pexels.
Se você já se perguntou de onde vem sua cor azul, a física o cobre.
Isso é um equívoco, Lennie. O céu está em toda parte, começa aos seus pés. – Jandy Nelson
Uma das primeiras perguntas que uma criança curiosa costuma fazer sobre o mundo natural é por que o céu é azul? No entanto, apesar de quão difundida é esta pergunta, há muitos equívocos e respostas incorretas cogitadas – porque reflete o oceano; porque o oxigênio é um gás de cor azul; porque a luz do sol tem um tom azul - enquanto a resposta certa é muitas vezes esquecida. Na verdade, a razão do céu ser azul é por causa de três fatores simples juntos: que a luz do sol é feita de luz de muitos comprimentos de onda diferentes, que a atmosfera da Terra é feita de moléculas que espalham luz de diferentes comprimentos de onda em diferentes quantidades, e o sensibilidade dos nossos olhos. Junte essas três coisas e um céu azul é inevitável. Aqui está como tudo se encaixa.
Luz de muitos comprimentos de onda diferentes, nem todos visíveis, são emitidos pelo Sol. A atmosfera afeta cada comprimento de onda de maneira diferente, resultando em um conjunto completo de fenômenos ópticos que podemos observar. Crédito da imagem: Negative Space / Pexels.
A luz do sol é composta de todas as diferentes cores de luz… e mais algumas! A fotosfera do nosso Sol é tão quente, a cerca de 6.000 K, que emite um amplo espectro de luz, desde o ultravioleta nas energias mais altas até o visível, do violeta até o vermelho, e então profundamente na porção infravermelha de o espectro. A luz de energia mais alta também é a luz de comprimento de onda mais curto (e de alta frequência), enquanto a luz de energia mais baixa tem comprimentos de onda mais longos (e baixas frequências) do que as contrapartes de alta energia. Quando você vê um prisma dividir a luz do sol em seus componentes individuais, a razão pela qual a luz se divide é porque a luz mais vermelha tem um comprimento de onda maior do que a luz mais azul.
Animação esquemática de um feixe contínuo de luz sendo disperso por um prisma. Se você tivesse olhos ultravioleta e infravermelho, seria capaz de ver que a luz ultravioleta se curva ainda mais do que a luz violeta/azul, enquanto a luz infravermelha permaneceria menos curvada do que a luz vermelha. Crédito da imagem: LucasVB / Wikimedia Commons.
O fato de que a luz de diferentes comprimentos de onda responde de maneira diferente às interações com a matéria se mostra extremamente importante e útil em nossas vidas diárias. Os grandes orifícios do micro-ondas permitem a entrada e saída de luz visível de comprimento de onda curto, mas mantêm a luz de micro-ondas de comprimento de onda mais longo, refletindo-a. Os revestimentos finos dos óculos de sol refletem a luz ultravioleta, violeta e azul, mas permitem que os verdes, amarelos, laranjas e vermelhos de comprimentos de onda mais longos passem. E as minúsculas partículas invisíveis que compõem nossa atmosfera – moléculas como nitrogênio, oxigênio, água, dióxido de carbono, bem como átomos de argônio – espalham luz de todos os comprimentos de onda, mas espalham a comprimento de onda mais curto iluminar com muito mais eficiência.
Quando o Sol está alto, o céu em direção ao zênite é de um azul muito mais escuro, enquanto o céu em direção ao horizonte é de uma cor ciano mais clara e brilhante. Isso se deve à maior quantidade de atmosfera e à maior quantidade de luz espalhada, que é visível em ângulos baixos no céu. Crédito da imagem: Karsten Kettermann/Pixabay.
Como essas moléculas são muito menores que o comprimento de onda da própria luz, quanto menor o comprimento de onda da luz, melhor ela se espalha. De fato, quantitativamente, obedece a uma lei conhecida como dispersão de Rayleigh , que nos ensina que a luz violeta no limite de comprimento de onda curto da visão humana espalha mais de nove vezes mais frequentemente do que a luz vermelha no limite de comprimento de onda longo. (A intensidade de espalhamento é inversamente proporcional ao comprimento de onda à quarta potência: I ∝ λ-4 .) Enquanto a luz do sol incide em todos os lugares do lado diurno da atmosfera da Terra, os comprimentos de onda mais vermelhos da luz têm apenas 11% de probabilidade de se espalhar e, portanto, chegam aos seus olhos, como a luz violeta.
Alguns materiais opalescentes, como o mostrado aqui, têm propriedades de espalhamento Rayleigh semelhantes à atmosfera. Com a luz branca iluminando esta pedra do canto superior direito, a própria pedra espalha a luz azul, mas permite que a luz laranja/vermelha passe preferencialmente sem ser detida. Crédito da imagem: Optick/Flickr.
Quando o Sol está alto no céu, é por isso que todo o céu é azul. Parece um azul mais brilhante quanto mais longe do Sol você olha, porque há mais atmosfera para ver (e, portanto, mais luz azul) nessas direções. Em qualquer direção que você olhe, você pode ver a luz difusa que vem da luz do sol atingindo toda a atmosfera entre seus olhos e onde começa o espaço sideral. Isso tem algumas consequências interessantes para a cor do céu, dependendo de onde o Sol está e para onde você está olhando.
De altitudes muito altas nos céus pré-nascer ou pós-sol, um espectro de cores pode ser visto, causado pela dispersão da luz solar, várias vezes, pela atmosfera. Crédito da imagem: Domínio público.
Se o Sol está abaixo do horizonte, toda a luz tem que viajar através de grandes quantidades de atmosfera. A luz mais azul se espalha um jeito , em todas as direções, enquanto a luz mais vermelha tem muito menos probabilidade de se espalhar, o que significa que ela chega aos seus olhos. Se você estiver em um avião depois do pôr do sol ou antes do nascer do sol, poderá ter uma vista espetacular desse efeito.
A atmosfera da Terra, vista durante o pôr do sol em maio de 2010 da Estação Espacial Internacional. Crédito da imagem: NASA/ISS.
É uma visão ainda melhor do espaço, pelas descrições e também pelas imagens que os astronautas devolveram.
Com uma grande quantidade de atmosfera para passar, a luz do Sol (ou da Lua) avermelha tremendamente quando está perto do horizonte. Mais longe do Sol, o céu fica gradualmente mais azul. Crédito da imagem: Max Pixel / FreeGreatPicture.com.
Durante o nascer/pôr-do-sol ou o nascer/pôr da lua, a luz que vem do próprio Sol (ou Lua) tem que passar por enormes quantidades de atmosfera; quanto mais próximo do horizonte, mais atmosfera a luz deve passar. Enquanto a luz azul se espalha em todas as direções, a luz vermelha se espalha com muito menos eficiência. Isso significa que tanto a luz do próprio disco do Sol (ou da Lua) fica avermelhada, mas também a luz da vizinhança do Sol e da Lua – a luz que atinge a atmosfera e se espalha apenas uma vez antes de atingir nossos olhos – é preferencialmente avermelhado naquele momento.
O eclipse total, como visto em Madras, Oregon nesta foto, resultou não apenas em uma vista espetacular do Sol, mas do horizonte que cerca todos no caminho da totalidade. Crédito da imagem: Rob Kerr/AFP/Getty Images.
E durante um eclipse solar total, quando a sombra da Lua cai sobre você e impede que a luz direta do sol atinja grandes seções da atmosfera perto de você, o horizonte fica vermelho, mas nenhum outro lugar. A luz que atinge a atmosfera fora do caminho da totalidade se espalha em todas as direções, razão pela qual o céu ainda está visivelmente azul na maioria dos lugares. Mas perto do horizonte, essa luz que se espalha em todas as direções é muito provável que se espalhe novamente antes de atingir seus olhos. A luz vermelha é o comprimento de onda de luz mais provável de passar, eventualmente superando a luz azul mais eficientemente espalhada.
O espalhamento Rayleigh afeta a luz azul mais severamente do que o vermelho, mas dos comprimentos de onda visíveis, a luz violeta é a mais espalhada. É apenas devido à sensibilidade dos nossos olhos que o céu parece azul e não violeta. Crédito da imagem: Vôo dos dragões / KES47 do Wikimedia Commons.
Então, com tudo isso dito, você provavelmente tem mais uma pergunta: se a luz de comprimento de onda mais curto é espalhada de forma mais eficiente, por que o céu não parece violeta? De fato, há uma quantidade maior de luz violeta vindo da atmosfera do que a luz azul, mas também há uma mistura de outras cores. Como seus olhos têm três tipos de cones (para detectar cores) neles, juntamente com as hastes monocromáticas, são os sinais de todos os quatro que precisam ser interpretados pelo seu cérebro quando se trata de atribuir uma cor.
A resposta à luz do olho humano, normalizada, em termos dos três tipos de cones e (linha tracejada) os bastonetes monocromáticos. Crédito da imagem: George Wald / Hektoen International Journal.
Cada tipo de cone, mais os bastonetes, são sensíveis à luz de diferentes comprimentos de onda, mas todos eles são estimulados até certo ponto pelo céu. Nossos olhos respondem mais fortemente aos comprimentos de onda de luz azul, ciano e verde do que ao violeta. Mesmo que haja mais luz violeta, não é suficiente para superar o forte sinal azul que nossos cérebros enviam.
A atração gravitacional sobre os gases em nossa atmosfera causa uma pressão substancial na superfície, dando origem a oceanos líquidos. Crédito da imagem: NASA Goddard Space Flight Center Imagem de Reto Stöckli, instrumento Terra Satellite / MODIS.
É aquela combinação de três coisas juntas:
- o fato de que a luz solar é composta de luz de muitos comprimentos de onda diferentes,
- que as partículas atmosféricas são muito pequenas e espalham a luz de comprimento de onda mais curto de forma muito mais eficiente do que a luz de comprimento de onda mais longo,
- e que nossos olhos têm as respostas que eles fazem para várias cores,
que faz o céu parecer azul para os humanos. Se pudéssemos ver o ultravioleta com muita eficiência, o céu provavelmente pareceria mais violeta e ultravioleta; se tivéssemos apenas dois tipos de cones (como cães), poderíamos ver o céu azul durante o dia, mas não os vermelhos, laranjas e amarelos do pôr do sol. Mas não se engane: quando você olha para a Terra do espaço, é azul também, mas a atmosfera não tem nada a ver com isso !
Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .
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