Por que o céu é azul?

Figura 1 - Céu. Disponível em: https://summitagro.estadao.com.br/noticias-do-campo/por-que-o-ceu-fica-rosa/

Você provavelmente já se perguntou sobre o por que o céu é azul durante o dia e por que ele se torna avermelhado ou alaranjado durante o pôr do sol, ou ainda, se todos os planetas ou satélites também possuem o céu na cor azul. E talvez você já tenha ouvido uma resposta para essas perguntas, mas caso não tenha ou para confirmar sua resposta, vamos responder neste semanal sobre o por que o céu é azul.

Figura 2 - John Tyndall. Disponível em: https://pt.wikipedia.org/wiki/John_Tyndall

Por volta do século XIX, John Tyndall (1820-1893), um físico irlandês, realizou alguns experimentos para entender o porquê do céu ser azul. Tyndall quis saber por que o céu é azul durante o dia e por que fica avermelhado ao entardecer, e de início, utilizou um tubo de vidro para simular o céu e uma luz branca para simular o Sol. Com isso, ele descobriu que, quando enchia gradualmente o tubo de fumaça, o feixe de luz parecia ser azul em um lado e, no outro extremo, ficava avermelhado. Tyndall observou que a cor do céu é o resultado de como a luz do sol se dispersa pelas partículas presentes na atmosfera, o que ficou conhecido como Efeito Tyndall. Num outro experimento, Tyndall encheu o tubo de vidro com água no qual foram despejadas algumas gotas de leite, o leite serviu para introduzir algumas partículas no líquido, uma vez feita essa mistura simples, o cientista acendeu uma luz branca em um dos extremos do tubo. Imediatamente, ele viu que o tubo se iluminava com cores diferentes. O experimento fascinou Tyndall, que descreveu o resultado como "o céu em uma caixa". Isso porque, em um lado do tubo, a solução ficou azul e à medida em que se aproximava do outro extremo, ficava mais amarela, até chegar ao laranja, como no entardecer. Tyndall já sabia que a luz branca era composta por todas as cores do arco-íris. Ele pensou que a explicação para o fenômeno, que tanto o deslumbrava, era que a luz azul teria uma maior probabilidade de repelir e dispersar as partículas de leite na água.

Figura 3 - Lord Rayleigh. Disponível em: https://pt.wikipedia.org/wiki/John_William_Strutt

Em 1869, o físico John William Strutt (1842-1919), também conhecido Lord Rayleigh, estava tentando descobrir se havia contaminação em uma amostra de ar purificado em um experimento de infravermelho e sem querer identificou o mesmo fenômeno de dispersão da luz que John Tyndall e também associou a cor do céu a esse efeito, mas ele não entendeu porque esse fenômeno acontecia mais facilmente com a cor azul. Pouco anos depois, após as contribuições de James Clerk Maxwell sobre a natureza eletromagnética da luz, Rayleigh publicou uma série de artigos quantificando matematicamente o efeito Tyndall. Rayleigh desenvolveu uma relação de proporcionalidade entre a intensidade da luz dispersa e o comprimento de onda:

I ∝ 14

Ou seja, a intensidade da luz dispersa é inversamente proporcional à quarta potência do comprimento de onda (). Isso significa que ondas com pequenos comprimentos de onda são mais facilmente dispersos. A faixa visível do espectro eletromagnético vai do vermelho ao violeta (aproximadamente 700 nm ~ 400 nm, respectivamente). Existe uma perspectiva mais quantitativa sobre esse fenômeno que é o fato de quanto maior o comprimento de onda mais “reta” é a onda eletromagnética, e portanto, é mais difícil acontecer a dispersão.

Figura 4 - Relação entre comprimento de onda e frequência. Disponível em: https://pt.wikipedia.org/wiki/Espectro_eletromagnético

Uma dúvida que pode ter surgido é: mas se o violeta tem um comprimento de onda menor que o azul, então porque o céu não é violeta? Isso tem haver com a fisionomia do olho humano. Nossos olhos possuem células fotorreceptoras responsáveis por identificar as cores chamadas cones e bastonetes, sendo os cones responsáveis por identificar as cores “coloridas” e os bastonetes por identificar o preto e branco. E acontece que os cones são mais sensíveis a determinadas cores, sendo o azul a cor mais sensível como segue no gráfico abaixo. Já durante o amanhecer e o pôr do Sol, dada a posição do Sol, a luz viaja por maiores distâncias acontecendo a dispersão da luz no comprimento do vermelho, enquanto que ao meio dia o céu fica levemente embranquecido.

Figura 5 - Sensibilidade do olho humano a cores. Disponível em: https://pt.wikipedia.org/wiki/Dispersão_de_Rayleigh

É óbvio que tudo no universo segue as mesmas leis da física, logo é óbvio que o fenômeno de dispersão da luz acontece em outros planetas também, mas não todos os céus tem a mesma cor azulada: em Marte, por exemplo, a atmosfera é mais rarefeita e empoeirada, logo a dispersão acontece de maneira diferente da Terra e por lá o céu tem uma coloração rosa alaranjada. Já em Netuno, o céu tem uma tonalidade verde piscina.

Resumindo, o céu é azul por conta do fenômeno de dispersão da luz e isso acontece quando a luz interage com partículas menores ou da mesma ordem de tamanho dos fótons que compõem a luz, por isso não ocorre dispersão da luz na interação com grãos de sal, por exemplo. E no final das contas o nome de Rayleigh ficou mais conhecido em relação às pesquisas sobre dispersão da luz, dando seu nome ao fenômeno, Dispersão de Rayleigh.

Referências

[1] ESPALHAMENTO DE LUZ E EFEITO TYNDALL. Disponível em: https://acervolima.com/espalhamento-de-luz-e-efeito-tyndall/#:~:text=O%20efeito%20Tyndall%20%2C%20também%20conhecido,luz%20entrando%20em%20uma%20janela. Acesso em 30/08.

[2] Por que o céu é azul? Como o cientista John Tyndall descobriu a resposta com instrumentos simples. Disponível em: https://g1.globo.com/ciencia-e-saude/noticia/2019/10/02/por-que-o-ceu-e-azul-como-o-cientista-john-tyndall-descobriu-a-resposta-com-instrumentos-simples.ghtml . Acesso em 29/08.

[3] Dispersão de Rayleigh. Disponível em: https://pt.wikipedia.org/wiki/Dispersão_de_Rayleigh. Acesso em 30/08.