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Entendendo a radiação invisível
(Parte 2)

Prof. Luiz Ferraz Netto
leobarretos@uol.com.br

Radiação do corpo negro
Apesar de quanto mais quente se encontrar um objeto mais radiação será emitida e maior será a freqüência média da sua radiação, o espectro de emissão de diferentes corpos à mesma temperatura poderá ser bastante diferente.
Existe, no entanto, uma classe de objetos hipotéticos, denominados corpos negros, nos quais o espectro de emissão depende apenas da sua temperatura. Tal como o nome indica, um corpo negro absorve toda a radiação incidente, qualquer que seja a sua freqüência, direção de incidência ou estado de polarização. O termo corpo negro, via de regra, conduz a uma confusão, especialmente quando acompanhado pela afirmação vaga de que um corpo com características de bom absorvedor é também um bom emissor. O 'bom' depende do ponto de vista de cada um; para um projetista de coletores solares, um bom emissor é aquele que não emite de modo nenhum.
Além disso, quando se diz que um objeto negro—o meu disquete Maxwell, por exemplo— é um bom emissor, as pessoas podem ficar intrigadas, visto que, aos seus olhos, ele não está a emitir coisa alguma. Finalmente perguntamos: que pedagogia existe em introduzir a radiação do corpo negro através de qualquer coisa que não existe?

Um termo para radiação do corpo negro que dá uma melhor idéia da sua origem é radiação de equilíbrio. Imagine uma cavidade feita em qualquer tipo de material, sendo as suas paredes opacas a toda a radiação, o que pode ser conseguido se forem grossas. Melhor dizendo, podemos afirmar que as paredes são feitas de alumínio, que não é certamente um corpo negro: o alumínio, especialmente se for polido, é um bom espelho, não só para a radiação visível, mas também para a radiação que vai do ultravioleta às freqüências de rádio.

Uma radiação de todas as freqüências é continuamente emitida pelas paredes, assim como absorvida e refletida. Quando é atingido o equilíbrio (isto é, a temperatura das paredes da cavidade não se altera com o tempo), o espectro da radiação no interior da cavidade real é o mesmo que o emitido por um hipotético corpo negro.
Para percebermos porque isto acontece, imagine-se um corpo negro colocado na cavidade; ele é banhado por toda a radiação emitida e refletida pelas paredes. Quando a temperatura do corpo cessa de se alterar, a velocidade com a qual ele emite radiação deverá ser igual àquela a que absorve a radiação que incide sobre ele. Por definição, absorve toda a radiação incidente. A temperatura constante significa que o espectro de emissão do corpo negro é o mesmo que o da radiação que ele absorve, que não é mais que a radiação de equilíbrio que preenche a cavidade.

Apesar de um pedaço liso de alumínio não ser um corpo negro, uma cavidade no alumínio fica preenchida com radiação característica de um corpo negro devido à reflexão múltipla da radiação emitida pelas suas paredes. Os corpos negros, no verdadeiro sentido da palavra, não existem, mas a radiação de corpo negro existe — é a radiação em equilíbrio com a matéria.

Devemos frisar que todos os corpos, negros ou não, que se encontrem a temperaturas acima do zero absoluto emitem radiação de todas as freqüências; repetimos isto com o risco de nos tornar maçantes. Interessante, conforme lemos num artigo recente, é o comportamento da neve frente à emissão de microondas. Apesar da neve não emitir suficientes microondas para cozinhar bifes (isto é uma sorte, porque, se ela o fizesse, também nós seríamos cozinhados), emite quantidades mensuráveis. E esta emissão está a ser explorada como forma de detecção remota de aglomerados de neve através do uso de satélites.

Os corpos não emitem uniformemente; a freqüência do pico de emissão depende da temperatura. O pico do espectro de emissão de corpos às temperaturas terrestres situa-se no infravermelho.
Considere, por exemplo, o espectro de emissão do corpo negro, mostrado na ilustração a seguir, para as temperaturas de 250 K (~ 23oC) e 320 K (47oC).

Corpos negros a temperaturas compreendidas entre estes valores emitem radiação de todas as freqüências, mas o pico do seu espectro encontra-se na região de comprimentos de onda entre 8 mm e 12 mm (1 mm = 1 micrometro, que é uma milionésima parte do metro).
A energia irradiante total emitida por qualquer objeto é proporcional à área compreendida pelo seu espectro de emissão. Para o corpo negro, ela é proporcional à quarta potência da sua temperatura absoluta. Desta forma, um corpo negro a 320 K emite praticamente três vezes mais energia irradiante do que um corpo negro do mesmo tamanho a 250 K; ambos emitem sobretudo radiação infravermelha.

Uma charada
Observe que temos trocado abruptamente de freqüências para comprimentos de onda, por conveniência. É equivalente especificar uma radiação através do seu comprimento de onda, embora a freqüência seja uma quantidade mais fundamental (freqüência é característica de fonte; independente do meio de propagação).

A maior parte das coisas terrestres — areia, mar, florestas, solos e até a neve — são quase corpos negros. A neve é a mais negra de todos. E também a mais branca. Antes de pôr este texto de lado, murmurando que a demência precoce deve ter acabado por me liquidar, continue a ler para saber a resolução desta charada.

Somos, tal como mencionei na Parte 1 desse trabalho, praticamente cegos e, como conseqüência, opticamente provincianos. Para nós, a neve é branca — quando iluminada por luz branca como a do Sol, por exemplo. A neve limpa e fina pode refletir mais de 94 % da radiação visível que incide sobre ela. Os nossos olhos não podem informar quanta radiação invisível ela reflete!
Estaríamos a especular grandemente se disséssemos que, pelo fato de a neve ser branca (isto é, altamente refletora) a comprimentos de onda visíveis, será branca em todos os comprimentos de onda. A neve é negra, assim como o são a maior parte dos objetos naturais, para o tipo de radiação infravermelha emitida pelos objetos à temperatura normal. A minha afirmação que defendia que a neve é a substância mais negra e simultaneamente mais branca do nosso planeta é, de fato, verdadeira, mas é necessário que seja clarificada para que faça sentido, assim como todas as afirmações acerca do que é preto e do que é branco.
Nosso disquete Maxwell, dos exemplos, emite radiação que não vejo. Visto que não reflete muita radiação que possa ver, digo que ele é preto. Pelo mesmo critério — baixa reflexão —, ele também seria negro para comprimentos de onda na gama do infravermelho; mas também o seriam os disquetes aos quais chamo brancos. Com certa freqüência poderemos encontrar fotografias, tiradas com o uso de radiação infravermelha, de pessoas de diferentes raças. Entre cerca de 3
mm e 15 mm, a pele humana é aproximadamente um corpo negro. Todos nós somos negros no infravermelho, por mais resplandecentes e deslumbrantes (branco, amarelo, vermelho, rosinha, preto, rosado aveludado, bronze etc.) que possamos ser à luz do Sol.

Os infravermelhos
Temos usado o termo infravermelho de uma forma despreocupada. A radiação infravermelha a que me referia era a emitida por objetos às temperaturas terrestres normais. No Parte 1 desse trabalho fizemos um esboço da descoberta da radiação infravermelha feita por William Hershell. No entanto, esta não era a radiação infravermelha terrestre. Hershell apenas aflorou superficialmente o vasto reino do infravermelho, que se estende desde cerca de 0,7
mm a 1000 mm. Ele descobriu aquilo que chamamos infravermelho próximo (note-se novamente o provincianismo: próximo significa <(próximo do visível»). A radiação terrestre é denominada infravermelha intermediária por uns e infravermelha remota por outros. Por infravermelho próximo referimo-nos a comprimentos de onda menores que 1,5 mm; por infravermelho remoto queremos dizer comprimentos de onda para lá de 5,6 mm.

O Sol emite radiação infravermelha, que constitui cerca de metade da sua energia irradiante. A maior parte desta radiação situa-se entre 0,25 mm e 2,5 mm, enquanto a maior parte da que é emitida pelos objetos terrestres se encontra entre 4 mm e 24 mm. Visto que estas duas regiões de comprimentos de onda não se sobrepõem, podemos fazer uma distinção entre a radiação solar (ou radiação de ondas curta) e a radiação terrestre (radiação de onda longa ou térmica).
A radiação infravermelha, sem especificação, refere-se muitas vezes à radiação terrestre, mas, para evitar confusões, é melhor especificar quais os comprimentos de onda de que estamos falando. Por exemplo, um filme para infravermelho de fácil obtenção nas grandes cidades (aqui na minha pequena cidade não tem disso) é sensível ao infravermelho próximo (entre em contato com a Kodak®). Já as fotografias infravermelhas de satélite podem ser tiradas com radiação infravermelha do próximo ao remoto (entre em contato com a Nasa®). A fotografia de infravermelhos próximos explora a radiação solar dispersa, enquanto a fotografia de infravermelhos remotos explora a radiação emitida. A distinção não é trivial: a fonte de infravermelhos próximos desaparece bastante com o pôr do Sol, enquanto os infravermelhos remotos são emitidos dia e noite.

Dado que a maior parte dos objetos terrestres são praticamente negros para o tipo de radiação que emitem, as suas temperaturas podem ser medidas sem ser necessário tocar-lhes. Se pudéssemos medir a reação da radiação emitida por um corpo negro a dois (ou mais) comprimentos de onda, digamos 6 mm e 8 mm (ver o espectro de emissão na ilustração acima), poderíamos inferir a sua temperatura. Os aparelhos capazes de fazer isto, denominados termômetros de infravermelhos, existem, apesar de preço deveras 'salgado'.
Todo o visto nesses parágrafos anteriores serão imprescindíveis para a conceituação do Efeito Estufa. Tal efeito merece bem mais que o tratamento superficial que freqüentemente lhe dão os artigos de jornal (e mesmo textos escolares). Existem tantos conceitos errados à volta da física do efeito estufa que ainda não nos sentimos preparados para os expulsar. Um dia, talvez, ..........

 


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