O céu azul claro. (Foto: Aleksander Niz / Shutterstock)
Surge a questão mais óbvia – por que esses elementos da natureza são coloridos dessa maneira particular? Vamos cortar a perseguição e imediatamente perguntar qual mecanismo físico levou a essa convenção? O célebre mecanismo é conhecido como dispersão de Rayleigh.
O que é Rayleigh Espalhamento?
O mecanismo que torna o azul do céu pode ser demonstrado por um experimento simples. Se alguém estivesse piscando uma luz em um tanque cheio de água que abrigasse uma grande população de minúsculas partículas suspensas no meio do ar, observaria que a água parece azul quando o aparelho é visto do lado e um pouco vermelho quando visto diretamente de um fim. Este efeito é conhecido como o efeito Tyndall.
John Tyndall foi a primeira pessoa a investigar por que o céu é azul. Ele percebeu em 1859 que a luz projetada em um meio é espalhada em todas as direções por pequenas partículas que flutuam nele. No entanto, os físicos creditam a resposta a essa consulta para Lord Rayleigh, pois foi ele quem estudou com mais detalhes alguns anos depois de Tyndall ter feito sua descoberta.
Um arco-íris é formado por gotas de chuva que se comportam como prismas. (Foto Crédito: Associação de Pesquisa Espacial das Universidades)
A luz branca, como Newton tão sumptuosamente demonstrada, pode ser dividida em sete cores distintas. A luz branca é uma parte do próprio espectro eletromagnético. Representa a única banda de comprimentos de onda que o olho humano pode detectar. Seus constituintes dividem ainda mais essa faixa de comprimentos de onda em sete bandas mais finas. Rayleigh descobriu que, quando as partículas no ar colidem com a luz do sol, eles espalham esses comprimentos de onda em todas as direções. No entanto, alguns desses comprimentos de onda estão espalhados de forma mais intensa do que outros comprimentos de onda.
Ele encontrou uma relação segundo a qual a quantidade de um comprimento de onda é dispersa é inversamente proporcional ao comprimento de onda elevado à quarta potência. Isso implica que as cores caracterizadas por comprimentos de onda menores são espalhadas de forma mais eficaz. Embora os comprimentos de onda medem na escala de nanômetros, a operação exponencial amplifica mesmo uma diferença insignificante – um cálculo rápido permitiria que o comprimento de onda associado ao azul fosse espalhado quase dez vezes mais do que o comprimento de onda associado ao vermelho.
A dispersão de comprimentos de onda por partículas dessa maneira é bastante conhecida. No entanto, existe um equívoco em relação às entidades que os dispersam. Uma grande parte das pessoas assume falsamente e promulga que esta dispersão é realizada por partículas de gás ou de pó. Mesmo Rayleigh e Tyndall foram seduzidos por essa crença. Isto, no entanto, não é verdade. A interação da luz e das partículas pode fazer com que o primeiro reflita, dobre, como um prisma, ou espalhe-o ao acaso. Sabemos que o azul do céu é causado pela dispersão, a dispersão de Rayleigh, em particular.
No entanto, a dispersão de Rayleigh pode ocorrer se e somente se o tamanho das partículas que a luz colide é comparável ou menor do que seu comprimento de onda. As partículas de poeira ou gás, naturais ou não, são de maior tamanho. Na verdade, se as partículas de poeira fossem os verdadeiros conspiradores, a cor do céu continuamente variaria com o tempo. Foi Einstein que posteriormente descobriu que as moléculas eram responsáveis por tal dispersão de luz. São os momentos de dipolo induzidos pela interação com um campo EM que dispersa esses comprimentos de onda. Os cientistas agora diminuíram as espécies de moléculas para nitrogênio e oxigênio.
No entanto, o céu trai seu azul e assume um vermelho de pelúcia quando o sol se põe. Isso ocorre porque a luz do sol é necessária para percorrer uma distância mais longa quando está perto do horizonte do que quando está diretamente acima de nós. Isso impulsiona a luz a viajar através de mais ar, fazendo com que ele colide com mais e mais partículas, de modo que todo o azul é espalhado; tudo o que é deixado para trás são os comprimentos de onda compatíveis com o vermelho. Conseqüentemente, o vermelho, a laranja e o amarelo passam direto ao nosso olho.
Os pores-do-sol acima dos mares são muitas vezes laranja devido às partículas de sal suspensas no ar acima deles. Créditos: Diana Savich / Shutterstock
Quanto à palidez das nuvens, eles persistem a serem cobertas de tons de cinza, pois suas partículas constituintes, que são maiores que o comprimento de onda da luz, experimentam um tipo diferente de dispersão. Este fenômeno dispersa cada comprimento de onda da luz igualmente, refletindo tons de algodão branco a cinza introspectivo. A dispersão também é testemunhada em Marte, onde o céu é geralmente completamente vermelho. Isto é devido ao excesso de ferro em seu ar fortemente disperso em tempestades de poeira.
No entanto, seria confundido generalizar com as imagens e assumir que o céu de Marte está constantemente vermelho. Ocasionalmente, na ausência de tempestades, o céu marciano é colorido de um certo azul, que é mais escuro do que o azul do nosso céu, pois a sua atmosfera é mais fina que a nossa.
Por que não violeta?
Tudo dito e feito, uma pergunta parece ainda ser respondida. Se os comprimentos de onda mais curtos estiverem espalhados mais veementemente, então não deve ser violeta – o comprimento de onda mais curto no espectro visível – ser mais disperso?
Talvez para seu espanto, o céu está contaminado com índigo e violeta. Na verdade, se não fosse, o céu ficaria azul com uma pitada de verde! A razão pela qual essas cores não podem ser percebidas tem a ver com a percepção das cores . O olho humano detecta cor com a ajuda de três receptores, conhecidos como cones. Cada receptor responde a uma cor primária – vermelho, verde e azul.
Os cones são agrupados de modo que os comprimentos de onda se sobrepõem e se combinem entre eles de forma assimétrica para produzir a infinidade de cores diferentes que encontramos ao nosso redor.
O sistema visual não é como um classificador de moeda, onde cada comprimento de onda se separa e é coletado por um cone. Os cones são agrupados de modo que os comprimentos de onda se sobrepõem e combinem uns com os outros assimetricamente para produzir a multiplicidade de cores diferentes que vemos à nossa volta. De fato, as três cores primárias são tudo o que uma televisão exige para simular as sombras requintadas e percepções de profundidade que observamos na realidade!
Quando giramos o nosso olhar para o céu, o cone vermelho é estimulado pelos comprimentos de onda vermelhos, amarelos e laranja, o cone verde responde a alguns comprimentos de onda verde-azul amarelo e fortemente dispersos e, finalmente, o cone azul se alimenta do mais disperso Comprimentos de onda de azul. No entanto, porque o estímulo não é absoluto, mas desproporcional, o índigo e o violeta também medem o cone azul e vermelho também. O efeito líquido é que essas cores “desaparecem”, tornando o céu azul pálido com um tom de vermelho.
Céu vermelho
Essencialmente, nossos olhos não são bastante sensíveis ao violeta e ao índigo e, em vez disso, fazem uma generalização para proteger uma computação meticulosa e consumidora de energia. Sendo tão acostumados com o meio ambiente, o fenômeno foi nutrido e enraizado em nós. Essa generalização para perceber o céu como um matiz puro pode não ser uma mera coincidência; A capacidade de separar cores naturais é provavelmente uma vantagem evolutiva.