Laranja, azul, laranja outra vez, depois escurece até se tornar preto, e o ciclo continua. Por vezes fica cinzento e, se tivermos sorte, no fim de um belo pôr do sol, enche-se de cores do vermelho ao amarelo, passa por verde, até ao azul-escuro. Falo do céu, que vai mudando de cor ao longo do dia, mas porquê? É uma pergunta tão comum, mas nem toda a gente sabe a resposta.
A explicação para as diferentes cores do céu ao longo do dia baseia-se nos princípios fundamentais da ótica, que descrevem como a luz interage com a matéria. Em particular, o fenómeno da dispersão de Rayleigh.
Em primeiro lugar, é importante compreender que a luz é uma onda eletromagnética e que o seu comprimento de onda determina a sua cor. Também se pode falar de luz em termos de fotões, partículas elementares das radiações eletromagnéticas. O espectro da luz visível varia de cerca de 400 nanómetros (nm) para a luz violeta até cerca de 700 nm para a luz vermelha. Quando a luz branca, vinda do sol, que contém todas as cores do espectro visível, entra na atmosfera terrestre, esta é dispersada pelas partículas do ar. O comprimento de onda de uma radiação é responsável pela forma como esta interage com a matéria, por isso diferentes comprimentos de onda levam a diferentes comportamentos.
Até ao seculo XIX a razão pela qual o céu é azul não era clara, até John William Strutt, conhecido como Lord Rayleigh, ter descoberto as propriedades da dispersão de Rayleigh. Este fenómeno ocorre quando luz incide em partículas muito mais pequenas do que o seu comprimento de onda. A intensidade da dispersão aumenta com a diminuição do comprimento de onda. Isto significa que a luz com menor comprimento de onda, como a luz azul, se dispersa muito mais fortemente do que a luz com maior comprimento de onda, como a luz vermelha. Para a dispersão de Rayleigh se verificar, as moléculas com que a luz interage podem ter no máximo 1/10 do seu comprimento de onda.
Na atmosfera terrestre, as partículas mais comuns que dispersam a luz são moléculas de azoto e oxigénio, com 300 picómetros (pm) e 292 pm de diâmetro respetivamente, que constituem cerca de 99% da atmosfera em volume. Estas moléculas são muito mais pequenas do que o comprimento de onda da luz azul (450nm a 500nm), por isso são bem adequadas à dispersão de Rayleigh.
Este tipo de dispersão é classificada como elástica, uma vez que a interação entre a luz e as partículas não altera a energia dos fotões dispersados em relação aos incidentes.
As luzes azul e violeta dispersam-se mais na atmosfera chegando-nos de todos os ângulos, no entanto, os cones dos nossos olhos, células que reconhecem as cores, são muito mais sensíveis ao azul do que ao violeta. Para além disto, o sol emite naturalmente mais radiação azul do que violeta.
Podemos estabelecer o seguinte princípio: a cor do céu, limpo, sem nuvens e poeiras, depende do ângulo de incidência da luz solar na Terra. Quanto maior o ângulo, maior a distância que a luz precisa de percorrer na atmosfera até chegar aos nossos olhos e assim a dispersão da luz azul será maior.
Se olharmos para o sol quando este está diretamente por cima de nós a sua luz parece-nos branca. Acontece que a luz percorre uma distância menor na atmosfera para chegar até nós, sendo a sua dispersão menor.
Durante o pôr do sol a luz percorre uma distância maior, permitindo maior dispersão da luz azul, espalhando-se e tornando-se impercetível. Nesta situação as luzes vermelhas e cor-de-laranja dispersam pouco, o que lhes permite chegar diretamente aos nossos olhos. Assim, o céu adquire tons encarnados durante o nascer e pôr do sol.
No entanto, quando olhamos para o horizonte observamos uma banda de cor esbranquiçada à medida que o azul perde intensidade. Este acontecimento deve-se à existência de poeiras, fumo, gotas de água microscópicas e outras partículas na atmosfera de dimensões aproximadas às do comprimento de onda da luz que, segundo a dispersão de Mie, refletem a luz de forma mais uniforme sem favorecer nenhum tipo de comprimento de onda. Esta é também a razão pela qual as nuvens são brancas.
Mas será que o céu também é azul nos outros planetas? Tudo depende da composição e espessura das suas atmosferas!
Em Marte, por exemplo, a atmosfera é mais rarefeita levando a que a sua pressão atmosférica chegue a apenas 1% da terrestre. Desta forma, a baixa densidade de gases diminui a dispersão que pode ocorrer. Sendo esta atmosfera composta essencialmente por dióxido de carbono e partículas em suspensão, a atmosfera ganha um tom avermelhado pois estas partículas absorvem radiações de menor comprimento de onda e refletem as vermelhas e cor-de-laranja. O interessante é que, durante o nascer e pôr do sol, o céu fica azulado porque a luz tem de percorrer uma maior distância para atravessar a atmosfera, permitindo que a dispersão seja suficiente para que o céu adquira tons de azul.
Já se nos encontrássemos na Lua veríamos o céu preto pois a Lua não tem atmosfera, não ocorrendo dispersão.
Em suma, o azul do céu, bem como os tons quentes do pôr do sol podem ser explicados pela dispersão de Rayleigh. Esta depende da composição, densidade e altitude da atmosfera, que vão influenciar a forma como a luz e as partículas interagem. Muda-se a atmosfera, muda-se a cor do céu e do pôr do sol, mas qual será mais bonito: o da Terra ou o de Marte? ■