Cor do céu: por que o céu é azul e não violeta?

A luz branca do sol carrega todas as cores

O sol emite um espectro contínuo que, aos nossos olhos, soma branco, mas dentro dele estão todas as cores do arco-íris. Cada cor é uma onda com um comprimento diferente. O violeta e o azul são ondas curtas, entre 380 e 480 nanômetros; o verde fica no meio, perto de 550 nm; o vermelho é longo, perto de 700 nm. Um nanômetro é um milionésimo de milímetro, e essa pequena diferença de tamanho decide para onde cada cor vai quando atinge o ar.

O sol não muda de cor ao longo do dia. Ele manda o mesmo espectro de manhã, ao meio-dia e ao entardecer. O que muda é o efeito da atmosfera sobre cada onda no trajeto entre o topo do ar e a retina do observador. Esse mesmo mecanismo explica o céu azul de dia e o pôr do sol vermelho.

Dispersão de Rayleigh e o comprimento de onda

Quando a luz encontra partículas bem menores que o seu comprimento de onda, como uma molécula de N2 ou O2, ela não é absorvida nem refletida como num espelho. A molécula reemite a luz em todas as direções. Esse desvio para os lados é o espalhamento. Rayleigh demonstrou que a intensidade dele é inversamente proporcional à quarta potência do comprimento de onda. Elevar à quarta potência transforma uma diferença pequena de cor numa diferença enorme de espalhamento.

Pela conta de Rayleigh, uma onda azul de 450 nm espalha cerca de (700 / 450) elevado a 4, quase 6 vezes mais que uma onda vermelha de 700 nm. Uma onda violeta de 400 nm espalha quase 9 vezes mais. Por isso o azul se espalha por toda a cúpula do céu e chega ao observador de qualquer direção, menos da direção exata do sol. O vermelho, quase intocado, atravessa a atmosfera quase reto. Na tabela, o espalhamento de cada cor aparece em relação ao vermelho.

Se o violeta espalha mais, por que o céu não é violeta?

Pela lei de Rayleigh, o violeta deveria dominar, já que é a cor mais espalhada de todas. O céu, porém, parece azul. A resposta é a soma de três fatores que favorecem o azul.

• O sol emite menos violeta. O pico de emissão solar fica na região do verde-azul; nas pontas do violeta a energia já cai. Há menos luz violeta para começar.
• O olho é mais sensível ao azul. Os três tipos de cone da retina respondem com força ao azul e ao verde, e bem pouco ao violeta puro. Mesmo quando o violeta chega, o cérebro quase não o registra.
• Parte do violeta é absorvida no alto. Camadas superiores da atmosfera, incluindo o ozônio, retiram um pedaço do violeta e do ultravioleta antes que ele desça.

Somados os três efeitos, o cérebro monta um azul, com um leve toque de violeta que a maioria das pessoas nem percebe. Pessoas sem o cristalino, a lente natural do olho, relatam enxergar parte do ultravioleta como um branco azulado ou violeta, porque é essa lente que filtra a faixa.

Por que o céu clareia perto do horizonte

Num dia limpo, o azul logo acima do observador é profundo, quase marinho. Perto do horizonte ele fica pálido, quase branco-azulado. Na direção do zênite a luz cruza a camada mais fina de atmosfera, e o azul chega puro. Rente ao horizonte, a linha de visada atravessa uma coluna de ar dezenas de vezes mais comprida.

Nesse caminho longo acontecem duas coisas ao mesmo tempo. O azul é espalhado tantas vezes, e reespalhado de novo, que perde saturação e se mistura. E um pouco da luz de outras cores também acaba desviada na direção do observador. O resultado é uma mistura mais próxima do branco. É o começo do mesmo efeito que, com o sol já no horizonte, filtra o azul por inteiro e deixa o disco vermelho.

O ângulo do sol muda a cor do céu ao longo do dia

A quantidade de ar que a luz atravessa depende de quão alto o sol está. Os astrônomos chamam essa espessura de massa de ar, que vale 1 com o sol a pino e cresce rápido conforme ele desce. No Brasil o sol chega muito alto ao meio-dia, o que deixa o céu de um azul intenso na maior parte do país. A tabela traz a altura máxima do sol ao meio-dia solar em algumas capitais, calculada pelo motor astronômico do site, que mostra o quanto a camada de ar atravessada pela luz diminui ao meio-dia.

Em São Paulo, em dezembro, o sol passa praticamente no zênite, quase 90 graus, o ponto exato acima do observador. Nesse instante a luz cruza a menor coluna de ar possível e o azul fica no auge. Em junho, o mesmo sol paulistano mal chega a 43 graus ao meio-dia, cruza mais atmosfera e o azul sai mais lavado. O ângulo do sol ao meio-dia está explicado em detalhe no artigo o que é o zênite e o meio-dia solar.

Tyndall, Rayleigh e Einstein na história da explicação

A cor do céu foi estudada por séculos. No século XIX a explicação corrente atribuía a cor à poeira ou ao vapor d'água. Em 1869, o irlandês John Tyndall montou um tubo de vidro com uma suspensão de partículas finas e mostrou que ela espalhava a luz azul e deixava passar a vermelha, reproduzindo em miniatura o céu e o pôr do sol. Ficou conhecido como efeito Tyndall, mas ainda apontava para as partículas.

Rayleigh fechou a conta em 1871. Ele provou que a poeira é dispensável, porque as próprias moléculas do ar produzem o azul, e a dependência com a cor tinha de ser a da quarta potência do comprimento de onda. Décadas depois, Albert Einstein, em 1910, refinou a explicação ligando o espalhamento às flutuações de densidade do gás, os pequenos aglomerados de moléculas que se formam e desfazem o tempo todo. Por isso o ar limpo, sobre o oceano ou num deserto, continua azul de dia.

A cor do céu em Marte, na Lua e em Titã

Outros corpos do sistema solar mostram o mesmo mecanismo com resultados diferentes. Na Lua, que não tem atmosfera, não há espalhamento, e o céu é preto mesmo em pleno dia lunar, com o sol branco e as estrelas visíveis ao mesmo tempo.

Em Marte o efeito se inverte. O ar marciano é rarefeito e cheio de poeira fina em suspensão, que espalha melhor a luz avermelhada. O resultado é um céu diurno amarronzado, ocre, e um pôr do sol azulado em torno do disco solar. As sondas da NASA já fotografaram esses crepúsculos azuis de Marte. Em Titã, a lua de Saturno, uma bruma laranja de hidrocarbonetos domina o céu. Em cada corpo, a cor do céu depende do que há na atmosfera.

Efeito da poeira e da umidade no azul

A dispersão de Rayleigh dá o azul de base, e o ar real tem outros componentes. Vapor d'água, poeira, fumaça e aerossóis introduzem a chamada dispersão de Mie, que quase não depende da cor e espalha todas as ondas de forma parecida. É por isso que um dia úmido e abafado, ou uma cidade com muita poluição, tem um céu mais esbranquiçado e leitoso, com azul menos saturado. Os dias de ar seco e frio, típicos do inverno no Centro-Sul do Brasil depois de uma frente fria, têm azul mais profundo.

Logo depois de uma chuva forte, com a atmosfera limpa, o céu costuma ter um azul intenso; numa tarde seca e empoeirada de fim de inverno, fica mais pálido. O sol é o mesmo nos dois casos, e a diferença está no que o ar tem para espalhar. Os horários em que o sol fica mais alto em cada cidade estão nos calendários do sol e no horário de nascer e pôr do sol.

A mesma física no céu azul e no pôr do sol vermelho

O céu azul e o pôr do sol vermelho têm a mesma causa. O céu azul de dia é a luz azul espalhada chegando de toda parte. O pôr do sol vermelho é o vermelho que sobra depois que o caminho longo pela atmosfera removeu o azul. O artigo por que o pôr do sol é vermelho detalha a segunda parte, e o artigo sobre a queda da luz do dia num eclipse do sol trata de outro caso em que a cor do céu muda.

Perguntas frequentes