Por que o céu é azul

Prévia do material em texto

Por que o céu é azul?
Tairine Favretto, Daiana Cordeiro e Kleber Briz Albuquerque
02/2013
Já parou para pensar?
Uma questão que você já pode ter pensando ou ter se questionado a respeito: Por que o céu é azul? Essa pergunta aparentemente simples é interessante para estudarmos e entendermos um pouco mais a óptica física, uma área da Física que se preocupa em entender um pouco mais a respeito dos fenômenos relacionados à luz. Ao buscarmos a resposta essa pergunta poderemos inclusive aproveitar esses conhecimentos para entendermos um pouco mais a respeito da luz e os conceitos relacionados a essa área, respondendo também “Por que o céu possui cores diferentes ao anoitecer ou amanhecer do dia?”.
O que iremos discutir?
Luz
Comprimento de onda
Espalhamento de Rayleigh
Vamos responder?
A explicação física para essa questão se dá a partir de um fenômeno que ocorre na atmosfera, denominado espalhamento. Como se sabe, a radiação solar que aquece a Terra é uma luz extremamente brilhosa e branca, porém composta por várias outras tonalidades de cores, cada qual com um comprimento de onda� específico (Fig. 1). Quando a luz penetra na atmosfera ela sofre um processo de refração� ao atingir os átomos de nitrogênio e oxigênio, bem como as outras partículas que compõem a atmosfera, dando origem ao fenômeno do espalhamento.
Fig. 1 – Representação do comprimento de onda da luz visível.�
Segundo esse fenômeno, a luz solar é espalhada em várias direções possibilitando a observação de várias tonalidades de cor, pois a cor branca é separada em várias cores, cada uma é separada por um ângulo diferente que depende do comprimento de onda de cada cor, a cor azul, por exemplo, é desviada da direção original muito mais que as cores laranja ou vermelho. No entanto, a onda que possui o comprimento da cor azul é bem mais definida e eficiente do que as outras, ou seja, não perde tanta intensidade quanto às outras cores. Esse tipo de espalhamento é conhecido como espalhamento de Rayleigh. Matematicamente considera-se que a intensidade de luz espalhada é inversamente proporcional à quarta potência do comprimento de onda�. Portanto, quanto menor o comprimento de onda maior a intensidade da luz espalhada. Como o comprimento de onda da luz azul (cerca de 400 nm) é menor do que o comprimento de onda da luz vermelha (cerca de 700 nm), a maior intensidade observada é a de comprimentos de onda próximos da cor azul. 
Mas, isso não explica tudo. Outro fator que devemos considerar é o ângulo em que observamos o espalhamento, porque a luz espalhada pelas partículas da atmosfera em um ângulo reto (90º) com relação à luz incidente tem sua intensidade reduzida pela metade, enquanto que a luz que possui a mesma direção da luz incidente não tem sua intensidade reduzida (Fig. 2). Sendo assim, a luz azul acaba sendo ainda mais favorecida por esse tipo de espalhamento já que dentre todas as cores é a que possui a menor perda de intensidade, o que torna a cor azul predominante no céu durante o dia.
Fig. 2 – Considerando que a luz incidente vem da esquerda para a direita (seta amarela) temos o seguinte espalhamento representado pelos vetores. Observe que para o ângulo reto a luz espalhada (seta laranja escuro) tem aproximadamente a metade da intensidade (tamanho do vetor) comparado com a luz espalhada na mesma direção da luz incidente (seta em vermelho).
(Fonte: elaborada pelo autor.)
Porém como a luz azul é a mais espalhada que as outras cores, conforme ela percorre distâncias maiores da atmosfera a cor laranja e vermelha começam a se tornar perceptíveis, pois o azul acaba sendo espalhado em todas as direções, perdendo a intensidade, e a luz que chega com maior intensidade aos nossos olhos passa a em as que possuem comprimentos de luz mais próximos do laranja e do vermelho. É o que ocorre no nascer e ao pôr do Sol. Nestes períodos do dia, o Sol se encontra na direção do horizonte o que faz a luz percorrer uma porção da atmosfera muito maior do que quando ele está sobre nossas cabeças, assim a luz incidente é espalhada por uma quantidade muito maior de partícula.
Fig. 3 – Através dessa figura podemos ver a diferença de percurso que a luz faz em dois momentos diferentes do dia, Sol a pino ou do meio dia e Sol no horizonte para um determinado observador. 
(Fonte: http://alfaconnection.net/pag_avsf/luz0802.htm. Acesso em: 21/01/2013)
Vamos experimentar?
Materiais necessários:
Uma lanterna ou uma lâmpada incandescênte de 50W de potência�
Um aquário 50 X 15 X 20 cm� com ¾ do volume de água
200 ml de leite desnatado
Uma colher de cabo longo (ou alguma coisa pra misturar o leite na água)
Procedimento:
Colocar o aquário sobre uma mesa, de preferência em um ambiente com pouca luminosidade e aonde se possa observar todos os seus lados. 
Em seguida, ligar a lanterna e incidir o feixe de luz sobre o aquário, conforme ilustra a Figura 4
Fig. 4 – Aquário iluminado apenas com água.
(Foto: elaborada pelo autor)
Depois acrescentar uma pequena porção de leite desnatado na água�, misturar até ficar uniforme e ligar novamente a lanterna da mesma maneira que foi feito sem o leite na água. Observar o que acontece com a luz se observada pelas extremidades do aquário.
Por fim acrescentar pequenas porções de leite, misturando e observando o que ocorre.
O que observamos?
A luz normalmente propaga-se em linha reta, a menos que encontre as bordas de algum material pelo meio do caminho, em outras palavras, mude o seu meio de propagação. Quando o feixe de luz de uma lanterna propaga-se no ar, não vemos o feixe porque o ar é bastante uniforme (homogêneo e transparente), logo a luz nele se propaga em linha reta. 
Quando ligamos a lanterna incidindo o feixe de luz no aquário observamos o feixe devido à mudança de meio de propagação da luz, a luz passa do ar para o vidro e do vidro para a água (Fig. 4). Como na água há uma mudança de velocidade de propagação da luz, o índice de refração da água é maior que o do ar�, ocorre um desvio leve na sua direção de propagação, o que facilita a observação do fenômeno. Dependendo do ambiente em que a lanterna ou a lâmpada é ligada é possível observar o feixe de luz no ar, em um ambiente escuro ou com poeira/fumaça, por exemplo, devido à decomposição da luz na borda das partículas de suspensas no ambiente. 
Quando acrescentamos leite na água, acrescentamos diretamente muitas partículas nela, já que o leite contém muitas partículas de proteínas e de gordura em sua composição. Essas partículas difundem a luz e faz com que o feixe fique visível. Cores diferentes são separadas em ângulos diferentes, a cor azul é desviada da direção original de propagação muito mais que as cores laranja ou vermelho, o que observamos, portanto, é o fenômeno de espalhamento de Rayleigh.
Fig. 5 – Aquário com uma porção de leite. (a) A esquerda visto pela lateral, perpendicular a direção de propagação da luz, e (b) a direita visto pelo frente, na mesma direção de propagação da luz.
(Fonte: elaborada pelo autor)
Na direção perpendicular ao feixe de luz espalhada, na lateral do aquário, observa-se a luz com uma tonalidade de azul (Fig. 5 (a)). Uma vez que os comprimentos de onda da cor laranja e vermelho são menos espalhados, essas cores caminham em linha reta seguindo mais de perto a direção do feixe inicial de luz branca. Por isso, quando você olha diretamente na direção do feixe de luz da lanterna (de frente para o aquário) aparecem tonalidades de cor laranja ou vermelho (Fig. 5 (b)). É notável a mudança de tonalidades tanto na lateral quanto pela frente do aquário quando são adicionadas diferentes porções de leite no aquário (Fig. 6).
Fig. 6 – Procedimento experimental com porções de leites diferentes. De cima para baixo foi acrescentado porções leite, sendo que o primeiro aquário não possui leite e o último possui uma quantidade de leite que começa a dificultar a propagação de luz por todo o aquário, aquário visto de lado à esquerda. Do lado direito temos a vista defrente onde é notável a mudança de tonalidade da luz que passa do branco até um tom de laranja que começa a ficar mais avermelhado, bastante similar com o que acontece no entardecer. Lembrando que este efeito é observado devido ao acréscimo de partículas (leite) na nossa atmosfera (água).
(Fonte: elaborada pelo autor)
Entendendo um pouco mais...
Com o que vimos até aqui podemos entender porque o céu é azul e porque ocorrem variações de cores ao nascer e ao pôr do sol. Ainda sim existem algumas questões que podem surgir se você parar para pensar um pouco mais sobre as cores do céu.
Por que vemos uma região branca ao redor do Sol ao observá-lo durante o dia?
Para responder essa pergunta é necessário entendermos como ocorre outro tipo de espalhamento, o espalhamento Mie. Este tipo de espalhamento ocorre quando a luz é espalhada por partículas da atmosfera que são maiores que 1/10 do tamanho do comprimento de onda da luz (entre 0,05 μm e 100μm), ou seja, enquanto o espalhamento de Mie ocorre com partículas grandes, o espalhamento de Rayleigh ocorre com as partículas pequenas da mesma ordem de grandeza ou menor que 1/10 do comprimento de onda da luz incidente (menores que 0,05 μm).
O espalhamento Mie não depende fortemente do comprimento de onda da luz, mas sim do tamanho da partícula, quanto maior a partícula, maior será a intensidade da luz espalhada na mesma direção em que a luz incidiu. (Fig. 7)
Fig. 7– Espalhamento Mie, luz incidindo da esquerda para a direita (seta amarela) - para partículas pequenas (imagem à esquerda) a luz é espalhada por uma área maior na mesma direção em que a luz incidiu se comparado com o espalhamento de partículas maiores (imagem a direita), em outras palavras, partículas maiores fazem com que o espalhamento seja mais intenso por ser concentrado em uma região menor. 
(Fonte: elaborada pelo autor.)
Sendo assim, quando olhamos para o Sol (não faça isso diretamente) ou ao redor dele vemos uma região mais clara tendendo para o branco porque nesta direção estamos olhando praticamente na região em que o Sol está, portanto, o espalhamento Mie prevalece e, como não depende do comprimento de onda, todas as cores são espalhadas igualmente e com a mesma intensidade até chegar aos nossos olhos. (Fig. 8)
Agora conforme afastamos nossa visão do Sol e olhamos para o céu vemos a cor azul voltando a prevalecer, isso porque o espalhamento Rayleigh volta a dominar e a cor azul passa a ser a mais espalhada com maior intensidade. (Fig. 8)
Fig. 5 – Foto tirada na direção do Sol. É possível verificar as regiões onde cada espalhamento predomina: próximo ao Sol o espalhamento Mie, por isso vemos uma cor bem mais clara tendendo ao branco, e afastando-se um azul mais vivo, consequência do espalhamento Raylaigh. 
(Fonte: http://ultrapassandobarreiras.blogspot.com.br/2010/07/no-meu-mundo-todo-o-impossivel-acontece.html. Acesso em: 21/01/2013)
Se o comprimento de onda da cor violeta é menor do que da cor azul, por que não enxergamos o céu violeta?
Isso corre devido à fisiologia do olho humano. Os nossos olhos possuem receptores, chamados de cones, que permitem distinguir as cores (Fig. 9). São três cones: 
Os verdes – que são sensíveis aos comprimentos de onda que representam as cores amarela, verde e verde azulado;
Os azuis – que são fortemente sensíveis aos comprimentos de onda próximos a cor azul;
E os vermelhos – sensíveis ao vermelho, amarelo e laranja. 
Fig. 9 – Desenho esquemático do olho. É possível verificar que os cones se encontro junto à retina que faz leitura da imagem que será transformada em impulsos elétricos pra ser interpretada pelo o cérebro. 
(Fonte: http://resenha-on.blogspot.com.br/p/as-cores-do-ceu.html. Acesso em: 21/01/2013)
Como os cones verdes e vermelhos são pouco estimulados, as cores pelo qual são sensíveis chegam com pouca intensidade, comparadas ao cone azul que é estimulado pelo azul e pelo violeta que aos serem espalhadas pela atmosfera chegam com mais intensidade.
Mesmo assim, por que não enxergamos a cor violeta? Bem, isso ocorre porque a luz emitida pelo Sol não é constante para todos os comprimentos de onda, ou seja, certos comprimentos de onda são emitidos com maior intensidade pelo Sol do que outros�, o azul neste caso é mais intenso do que o violeta. Além disso, os comprimentos de onda violeta espalhados são absorvidos pela própria atmosfera antes de chegarem à nossa visão. Ou seja, é similar ao que acontece com o azul no fim da tarde que devido ao espalhamento Rayleigh acaba perdendo mais intensidade do que outras cores. Isso sem contar o fato de nossos olhos serem pouco sensíveis ao comprimento de onda da cor violeta, mesmo assim esses comprimentos de onda acabam contribuindo para a “palidez” do céu azul que observamos durante o dia.
�
Referências
[1] BRASIL. Ministério De Ciência, Tecnologia E Inovação. Coleção Observatório Nacional: As Cores do Céu . 2ª Ed. 2011. Disponível em: <http://www.on.br/pequeno_cientista/conteudo/revista/pdf/cores_ceu.pdf>. Acesso em: 21 de Janeiro de 2013.
[2] KERR, Américo; XAVIER, Maria. O Espalhamento de Luz na Atmosfera. Disponível em: <http://www.fap.if.usp.br/~akerr/texto_luz.pdf>. Acesso em: 21 de Janeiro de 2013.
[3] ROCHA, M.N et al . O azul do céu e o vermelho do pôr-do-sol. Rev. Bras. Ensino Fís.,  São Paulo,  v. 32,  n. 3, set.  2010 .   Disponível em <http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1806-11172010000300013&lng=pt&nrm=iso>. acessos em  21  jan.  2013.  http://dx.doi.org/10.1590/S1806-11172010000300013.
�Comprimento de onda (λ): distância entre dois pontos iguais, como os máximos ou mínimos, de uma onda. A luz visível se encontra entre 370 nm e 750 nm.
� Refração: Mudança de propagação de uma onda entre meios diferentes, como da água para o ar. 
�Fonte: http://samuelrobaert.blogspot.com.br/2011/02/veja-o-mundo-em-infravermelho-sera-que.html - Acesso em: 27/02/2013
�� QUOTE � ���
� No caso da lâmpada é importante coloca-la em um bocal/suporte que dê foco a luz. Uma lâmpada dicroica também funciona bem para o experimento.
� Comprimento X largura X altura
� Usamos uma tampa de garrafa Pet para acrescentar o leite. Cerca de duas ou três tampas por vez.
� Índice de refração da água é igual a 1,33 e índice de refração do ar é igual a 1.
� Disponível em: <http://www.ufrrj.br/institutos/it/de/acidentes/radiacao.htm>. Acesso em: 22/03/2013 - Observe que no gráfico disponível neste site a intensidade da luz transmitida através da atmosfera na região do visível começa a decrescer conforme se aproxima da região do ultravioleta.