Céu azul . . . Por quê?

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

Constatação
Desde que o céu não fique completamente encoberto por nuvens, poderemos ver que ele é azul. Ao nascer do sol e, pelo fim da tarde, quando ele se põe no horizonte, o céu exibe uma coloração um tanto vermelha. Essas duas observações estão relacionadas e poderão ser postas em destaque pelo experimento que detalharemos.

Material
Uma boa lanterna (as de três ou quatro pilhas com feixe estreito são as melhores), um aquário para 10 ou 15 litros com vidros bem limpos, 250 mililitros (1 xícara) de leite e uma colher de madeira de cabo longo.

Procedimento
Coloque o aquário sobre uma mesa (pequena) no centro da sala, de modo que você possa vê-lo de todos os lados. Preencha-o com água até 3/4 do seu nível total. Acenda a lanterna e mantenha-a encostada numa das paredes do aquário, ao longo de seu comprimento. Pode ser previsto um suporte para manter a lanterna assim.

Tente observar o feixe de luz que se propaga pela água. Difícil, não é? Talvez você possa ver algumas partículas de pó em suspensão na água; elas aparecem brancas. De qualquer modo que você olhe é, todavia, bastante difícil ver exatamente onde o feixe de luz atravessa a água.

Acrescente aproximadamente 60 mililitros (1/4 de xícara) de leite na água e misture com a colher de madeira.

Segure a lanterna contra a lateral do aquário, como foi feito antes. Repare que o feixe de luz agora é fácil de ser visto ao atravessar a água. Observe o feixe de luz olhando pelas outras laterais e pela face oposta a da lanterna, por onde a luz escapa do recipiente. Repare que, de lado, o feixe é visto ligeiramente azul e na extremidade oposta, aparece um pouco amarelado.

Acrescente outro 1/4 de xícara de leite na água e mexa. Agora o feixe de luz apresenta-se mais azulado quando visto de lado, e com um amarelo mais intenso olhando-se pela face oposta à entrada da luz; até mesmo um tom alaranjado pode ser observado.

Acrescente o restante do leite na água e mexa a mistura. Agora, visto de lado, o feixe de luz mostra-se bem azul e bastante laranja visto pela face oposta à da entrada da luz. Além disso, você poderá observar que o feixe de luz aparece mais espalhado do que nas primeiras observações; não é visto agora tão estreito como antes.

O que será que faz o feixe de luz da lanterna aparecer azul, quando visto de lado, e laranja quando visto de frente?

A luz normalmente propaga-se em linha reta, a menos que encontre as bordas de algum material pelo meio do caminho. Quando o feixe de luz de uma lanterna propaga-se no ar, não vemos o feixe, observando-o de lado, porque o ar é bastante uniforme (homogêneo e transparente); a luz nele propaga-se em linha reta. O mesmo é verdadeiro quando o feixe de luz caminha pela água, como nesta experiência. A água é uniforme, e o feixe a percorre em uma linha reta. Porém, se houver algumas partículas de pó no ar ou na água, poderemos observar um vislumbre do feixe porque a luz é difundida (ver nota no final do projeto) (decomposta) ao encontrar as bordas das partículas de pó.

Quando você acrescentou leite na água, você acrescentou nela muitas partículas minúsculas. Leite contém muitas partículas minúsculas de proteína e gordura que ficam em suspensão na água. Estas partículas difundem a luz e fazem o feixe da lanterna tornar-se visível quando visto de lado. Cores diferentes de luz são separadas, nesse espalhamento, em ângulos diferentes. Luz azul é desviada da direção original muito mais que a laranja ou a luz vermelha. Como nós vemos a luz difundida na direção perpendicular ao feixe, e como a luz azul é a que se difunde mais (sofre maior desvio), o feixe aparece azul. Uma vez que o laranja e o vermelho são menos difundidos, essas cores caminham em linha reta seguindo mais de perto o feixe inicial de luz branca. Por isso, quando você olha diretamente no feixe de luz da lanterna (de frente), aparece laranja ou vermelho, ou seja, o que resta da luz branca.

O que tem esta experiência a ver com céu azul e com o pôr-do-sol laranja?

A luz que você vê quando você olha o céu é a luz solar, que é espalhada por partículas de pó na atmosfera. Se não houvesse nenhuma difusão (espalhamento em cores), toda a luz proveniente do Sol cairia em linha reta para a Terra e o céu apareceria escuro, como ocorre à noite. A luz solar é difundida pelas partículas de pó, da mesma maneira como a luz da lanterna é difundida pelas partículas de leite nessa experiência.

Olhar para o céu é como olhar o feixe da lanterna de lado: você está olhando luz difundida que é azul. Quando você olha diretamente para o Sol se pondo no horizonte, do mesmo modo que olhou a luz da lanterna de frente, você estará observando apenas a luz que é bem pouco difundida (desviada), ou seja, o laranja e o vermelho.

Qual a causa para o Sol aparecer com tonalidade laranja ou até mesmo vermelho ao pôr-do-sol ou ao amanhecer?

Ao pôr-do-sol ou ao amanhecer, a luz solar que nós observamos percorreu um caminho bem mais longo através da atmosfera terrestre que a luz solar que nós vemos ao meio-dia. Nesse longo trajeto muitas cores foram difundidas (e portanto retiradas do feixe de luz branca), sobrando para nossos olhos parte do amarelo e luz vermelha. E é o que vemos!

NOTA
O termo difundir, para explicar o fenômeno de "espalhamento" e separação de alguns comprimentos de onda em função da inclinação do Sol e da composição da atmosfera, requer uma explicação complementar sobre a seqüência dos fenômenos responsáveis.

Difundir é termo comumente restrito ao fenômeno da difusão da luz, referindo-se tão somente a uma distribuição da intensidade do feixe de luz refletido por uma superfície rugosa, áspera. Na difusão simples o que acontece, então, como resultado da incidência de luz branca sobre uma superfície irregular, nada mais é do que uma ampla abertura do feixe (para todas as direções), sem que, entretanto, ocorra a separação em diferentes cores.

Vamos fazer uma analogia: imagine um compacto "feixe de pessoas" saindo da sala de espetáculo de um cinema pelo típico corredor apertado (isso simula o feixe de luz branca incidente); ao chegarem na ampla porta de saída (isso simula a superfície áspera), as pessoas se espalham tomando diferentes rumos sem que ocorra qualquer separação seletiva como, por exemplo, homens por aqui, mulheres por ali, crianças só por esse caminho, gestantes sigam por essa direção etc. Isso simula a difusão, o compacto feixe espalha-se, mas não há nenhuma separação seletiva. Não é isso o que ocorre no fenômeno do Céu.

O difundir, usado nessa descrição, refere-se ao efeito de "espalhamento". No "espalhamento" ocorre não só a abertura do feixe (seguindo para todas as direções), como também a separação seletiva de cores; algo que não acontece na simples "difusão da luz". No caso do espalhamento há uma "reirradiação" ou "reemisão" (osciladores atômicos) de energia luminosa pelas partículas gasosas da atmosfera. As partículas absorvem a energia do feixe incidente e a retransmitem em outras freqüências. A onda incidente, proveniente do Sol, está na região da luz visível, enquanto que as freqüências naturais das moléculas gasosas da atmosfera estão na região do ultravioleta. Quanto maior for a freqüência da luz incidente, mais "espalhamento" teremos. No caso do céu azul, estamos todos inundados por essa luz azul reirradiada por todas as moléculas, em todas as direções.

Uma analogia singular é a comparação desse espalhamento com o efeito estufa: nesse, a luz branca entra na estufa (ambiente com revestimento de vidro) incidindo nos componentes em seu interior (mesa, cadeira, vasos, flores, folhas etc.) sendo absorvida. Tais componentes, retransmitem essa energia recebida, agora mais na região do infravermelho, que não consegue atravessar o vidro. A temperatura no interior aumenta, pois está inundado de infravermelho.

O efeito de espalhamento (difusão, absorção e retransmissão da energia luminosa em outras freqüências) é fundamental, pois é o mecanismo físico existente na reflexão, na refração e na difração.