Por que o pôr do sol é vermelho? A dispersão de Rayleigh explica
No horizonte, a luz do sol cruza 38 vezes mais ar que ao meio-dia; nesse caminho o azul se espalha e sobra o vermelho. Entenda a dispersão de Rayleigh.
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Por que o céu é azul? A dispersão de Rayleigh (e por que não é violeta)
O céu é azul porque o ar espalha a luz azul mais que a vermelha, pela lei de Rayleigh. Entenda por que não é violeta e por que o pôr do sol fica vermelho.
O céu é azul porque as moléculas de nitrogênio e oxigênio do ar espalham a luz azul do sol muito mais do que a vermelha. Esse espalhamento, descrito por Lord Rayleigh em 1871, cresce com o inverso da quarta potência do comprimento de onda: a luz azul, de onda curta, é jogada para todos os lados da abóbada celeste, enquanto a vermelha, de onda longa, segue quase em linha reta. Quando você olha para qualquer ponto do céu longe do sol, o que chega aos seus olhos é sobretudo essa luz azul reespalhada. Não é a poeira, nem o reflexo do mar: é a própria física do ar limpo, e ela funcionaria igual num planeta sem uma partícula de sujeira.
A luz branca do sol carrega todas as cores
Comece pela luz que chega. 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 diferença minúscula de tamanho é o que decide para onde cada cor vai quando bate no 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 que a atmosfera faz com cada onda no trajeto entre o topo do ar e a sua retina. Guarde essa ideia, porque ela explica de uma vez o céu azul de dia e o pôr do sol vermelho. São o mesmo fenômeno visto de dois ângulos.
Dispersão de Rayleigh: onda curta espalha muito mais
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, feito uma antena minúscula. 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.
A conta é curta. 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 é arremessado para toda a cúpula do céu e chega aos seus olhos venha você a olhar para onde olhar, menos na direção exata do sol. O vermelho, quase intocado, atravessa a atmosfera quase reto. A tabela abaixo mostra o quanto cada cor é jogada para os lados em relação ao vermelho.
| Cor | Comprimento de onda | Espalhamento relativo |
|---|---|---|
| Violeta | 400 nm | ~9,4× |
| Azul | 450 nm | ~5,8× |
| Ciano | 490 nm | ~4,2× |
| Verde | 550 nm | ~2,7× |
| Amarelo | 580 nm | ~2,1× |
| Laranja | 620 nm | ~1,6× |
| Vermelho | 700 nm | 1× (referência) |
Se o violeta espalha mais, por que o céu não é violeta?
Essa é a pergunta que derruba metade das explicações de boteco. Pela lei de Rayleigh, o violeta deveria dominar, já que é a cor mais espalhada de todas. O céu, porém, é azul, não roxo. A resposta é a soma de três coisas que puxam para 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.
Some os três efeitos e o que o cérebro monta é um azul, com um leve toque de violeta que a maioria das pessoas nem percebe. Curiosamente, algumas pessoas com a lente do olho removida em cirurgia relatam enxergar o céu mais arroxeado, justamente porque a lente natural filtra parte do violeta e do ultravioleta.
Por que o céu clareia perto do horizonte
Olhe direto para cima num dia limpo e o azul é profundo, quase marinho. Baixe o olhar até o horizonte e ele fica pálido, quase branco-azulado. Não é ilusão. 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 sua direção. 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 céu perto do horizonte é o pôr do sol em estágio inicial.
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: 1 com o sol a pino, e crescendo 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, para você sentir o quanto o ar sobre nós fica fino ao meio-dia.
| Cidade | Meio-dia de dezembro | Meio-dia de junho |
|---|---|---|
| Fortaleza, CE | 70° | 63° |
| Recife, PE | 75° | 59° |
| Brasília, DF | 82° | 51° |
| São Paulo, SP | 90° | 43° |
| Porto Alegre, RS | 83° | 37° |
Repare em São Paulo: em dezembro o sol passa praticamente no zênite, quase 90 graus, o ponto exato acima da sua cabeça. 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. Para entender esse ângulo mais a fundo, veja o que é o zênite e o meio-dia solar.
Tyndall, Rayleigh e Einstein: a fila que resolveu o enigma
A cor do céu intrigou gente séria por séculos. Leonardo da Vinci já suspeitava que fosse a atmosfera espalhando luz sobre um fundo escuro. No século XIX achava-se que a culpa era da poeira ou do vapor d'água. Por volta de 1859, 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 não é preciso poeira nenhuma: as próprias moléculas do ar, invisíveis e sempre presentes, bastam para produzir 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. É por isso que mesmo o ar mais limpo do planeta, sobre o oceano ou num deserto, continua azul de dia.
Céus de outros mundos: Marte, a Lua e Titã
O jeito mais rápido de fixar o mecanismo é sair da Terra. Na Lua, que não tem atmosfera, não há espalhamento algum: o céu é preto mesmo em pleno dia lunar, com o sol branco cravado nele e as estrelas por perto. Sem ar, sem azul.
Em Marte a lógica 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, o oposto do nosso. 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. Cada mundo pinta o próprio céu conforme o que tem no ar.
Poeira, umidade e o azul do dia a dia
O Rayleigh puro dá o azul de base, mas o ar real tem mais coisa. 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, sem aquele azul saturado. Já os dias de ar seco e frio, típicos do inverno no Centro-Sul do Brasil depois de uma frente fria, entregam os azuis mais profundos do ano.
Vale um teste caseiro: compare o céu logo depois de uma chuva forte, quando a atmosfera fica limpa, com o céu de uma tarde seca e empoeirada de fim de inverno. O primeiro costuma vir num azul vibrante. O segundo, mais pálido. Nada mudou no sol; mudou o que o ar tem para espalhar. Para acompanhar quando o sol está alto e o azul fica no auge na sua cidade, use os calendários do sol ou veja o horário de nascer e pôr do sol.
A mesma física do azul, do vermelho e da lua de sangue
Três cenas, uma raiz só. 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 removeu o azul. E a lua cor de tijolo num eclipse total é a luz de todos os nasceres e pores do sol da Terra ao mesmo tempo, refratada e filtrada pela nossa atmosfera até chegar avermelhada ao disco lunar. Quem entende o azul do céu já entende os três. Se quiser puxar o fio, veja por que o pôr do sol é vermelho e a diferença entre eclipse solar e lunar.
Perguntas frequentes
Por que o céu é azul?
Porque as moléculas do ar espalham a luz azul do sol muito mais que a vermelha. Pela lei de Rayleigh, o espalhamento cresce com o inverso da quarta potência do comprimento de onda: a luz azul (cerca de 450 nm) é jogada para todos os lados do céu quase 6 vezes mais que a vermelha (700 nm). O que chega aos seus olhos de qualquer direção do céu é sobretudo esse azul espalhado.
Se o violeta é mais espalhado que o azul, por que o céu não é violeta?
Por três motivos somados: o sol emite menos luz violeta do que azul, os cones da nossa retina são bem mais sensíveis ao azul do que ao violeta, e parte do violeta é absorvida na alta atmosfera. O cérebro monta um azul, não um roxo.
Por que o céu clareia perto do horizonte?
Porque na direção do horizonte a luz cruza uma camada de ar muito mais longa. O azul é espalhado e reespalhado tantas vezes que perde saturação e se mistura com outras cores, deixando o céu pálido, quase branco. É o começo do mesmo efeito que, com o sol no horizonte, deixa o disco vermelho.
O céu é azul porque reflete o mar?
Não, é o contrário. O azul do céu vem do ar espalhando a luz do sol, e é o mar que reflete a cor do céu. Um céu de deserto, sem mar por perto, é tão azul quanto o de uma praia.
Por que o céu de Marte não é azul?
Porque o ar de Marte é rarefeito e cheio de poeira fina que espalha melhor a luz avermelhada. O resultado é um céu diurno amarronzado e um pôr do sol azulado em torno do disco solar, o oposto do que acontece na Terra.
Por que alguns dias têm um azul mais intenso que outros?
Ar seco e limpo, típico do inverno no Centro-Sul depois de uma frente fria, dá os azuis mais profundos. Umidade, poeira e poluição adicionam a dispersão de Mie, que espalha todas as cores por igual e deixa o céu esbranquiçado e leitoso.