Os mais belos fenômenos atmosféricos

A maior parte das coisas que vemos ao nosso redor são visíveis porque a luz (produzida no sol, lâmpada ou alguma fonte de luz) é refletida em sua superfície. Quando a luz passa de um material transparente para outro ela muda sua velocidade, então dizemos que a luz passa pelo fenômeno da refração. A miragem é um exemplo desse fenômeno: a aparência de água sobre a areia do deserto ou sobre o asfalto quente se deve à refração da luz vinda do céu ao atravessar o ar mais quente ao atravessar o ar mais quente e mais rarefeito próximo à superfície da rodovia.

A rapidez de propagação média da luz em um meio transparente é menor do que a velocidade da luz no vácuo e depende da sua frequência. Assim, diferentes frequências (ou cores) se propagam com velocidades diferentes, refratando-se em diferentes graus. Essa separação da luz em diferentes cores é chamada dispersão. Vejamos alguns fenômenos que ocorrem devido à refração, como o pôr-do-sol, o arco-íris, a glória, a irisação e o halo. E descubra como se forma uma aurora boreal (ou austral).

Céu azul e o Pôr-do-sol avermelhado

Pôr-do-sol (foto: ViniRoger) e esquema explicando a luz sol, vindo da direita pra esquerda, interagindo com a atmosfera (fonte: Física Conceitual)

Pôr-do-sol (foto: ViniRoger) e esquema explicando a luz sol, vindo da direita pra esquerda, interagindo com a atmosfera (fonte: Física Conceitual)

Das frequências visíveis que formam a luz solar, o violeta é a cor mais espalhada, pelo nitrogênio e oxigênio da atmosfera, seguido pelo azul e as outras cores. Como os nossos olhos não são muito sensíveis ao violeta, o céu nos parece azul. Caso o ar esteja cheio de partículas maiores do que moléculas (como gotas de nuvens ou poluição), as outras cores também são espalhadas; adicionando-se ao azul, resultam em um céu esbranquiçado.

Um feixe de luz solar deve atravessar uma quantidade maior de atmosfera durante um pôr-do-sol, em comparação ao meio-dia. Assim, o azul do feixe é mais espalhado ao pôr-do-sol, e na superfície chegam somente as luzes de frequências mais baixas sobreviventes, ou seja, o vermelho e o laranja. Por isso temos um nascer e um pôr-do-sol avermelhados.

Arco-íris

Arco-íris (foto: ViniRoger) e esquema explicando a formação do fenômeno (fonte: Física Conceitual)

Arco-íris (foto: ViniRoger) e esquema explicando a formação do fenômeno (fonte: Física Conceitual)

Como se forma um arco-íris? A luz solar sofre dispersão ao passar pelas gotas de chuva, que atuam como prismas de vidro. Ao penetrar em uma gota, a luz sofre reflexão e refração, sendo que o violeta é a cor mais desviada. Ainda dentro da gota, no lado oposto, cada uma das cores é parcialmente refratada para o exterior e a outra parte é refletida para dentro da gota, o que acontece novamente quando atinge nova interface na mesma gota. Cada refração aumenta a dispersão já produzida anteriormente. Duas refrações e uma reflexão resultam em um ângulo de 42° entre a luz incidente e a luz mais dispersada (vermelho) e 40° entre a incidente e a menos dispersada (violeta), estando aí a concentração máxima na intensidade luminosa. Pode ocorrer um arco-íris secundário, porém mais fraco, com um raio um pouco maior que o primário.

Fisicamente, o que é dispersão? A luz incidente cuja frequência se iguala à frequência natural de oscilação (ou de ressonância) dos elétrons dos átomos e moléculas de um meio transparente (vidro ou água, por exemplo) é absorvida. As radiações (no caso, a luz) com frequências próximas das frequências de ressonância interagem mais frequentemente com a matéria, numa sequência de absorções e reemissões, e assim se propagam mais lentamente. Considerando que a frequência natural da maior parte dos materiais transparentes se situa na região do ultravioleta, a luz de alta frequência se propaga mais lentamente do que a luz de frequência mais baixa, refratando-se em graus diferentes. Esse fenômeno é chamado de dispersão.

O observador deve estar entre o Sol e as gotas de chuva espalhadoras da radiação solar incidente. Milhões de gotas produzem o espectro inteiro da luz visível, pois um dado observador está em condições somente de ver a luz concentrada vinda de uma determinada gota. Todas as gotas que dispersam a luz na direção do observador situam-se em um cone, com diferentes camadas formadas por gotas que dispersam a luz vermelha para o olho do observador pelo lado externo do cone, estando a luz laranja logo abaixo e assim por diante até a luz violeta. Assim, o arco-íris é a borda de um cone centrado nos olhos do observador, e conforme o observador se aproxima do arco, a luz que passa através de outras gotas mais distantes, sendo impossível atingir o fim do arco-íris.

Faça a seguinte experiência: pegue uma xícara, coloque um espelho pequeno dentro, de modo que fique inclinado, e jogue água; depois ilumine o espelho com uma lanterna forte e veja o reflexo da luz na parede branca. Esse experimento também é conhecido como prisma. A luz haverá refratado ao incidir sobre o espelho e ter mudado de meio de transmissão (água-ar), abrindo o chamado espectro de cores.

Glória

Glória ao redor da sombra de um avião projetada na nuvem (foto: ViniRoger, sobrevoando Brasília).

Glória ao redor da sombra de um avião projetada na nuvem (foto: ViniRoger, sobrevoando Brasília).

O mesmo fenômeno de formação do arco-íris pode ocorrer ao redor da sombra de um avião ou pessoa projetada na nuvem. Assim, é possível ver um círculo completo, em vez de apenas um arco. Esse fenômeno é conhecido como glória, por se parecer com o arco formado ao redor das imagens de santos. Também pode ser chamado de Espectro de Broken, devido a sua frequente observação no cume Brocken, nas montanhas de Harz, na Alemanha. Desde a antiguidade, essa montanha é conhecida por rituais de bruxas e feiticeiros, que tinham visões ao amanhecer – horário muito comum para observação da glória, devido a ocorrência de nevoeiros e a baixa altura do Sol.

Irisação

Irisação (foto: ViniRoger, sobre Porto Alegre)

Irisação (foto: ViniRoger, sobre Porto Alegre)

Quando o fenômeno de dispersão ocorre em uma nuvem (ou parte dela), tornando-a colorida com o espectro solar, esse fenômeno é conhecido como irisação.

Halo

Um halo é um anel de luz que rodeia um objeto, no caso do Sol ou da Lua. É um fenômeno natural que ocorre quando existem cristais de gelo na atmosfera e a luz do sol os atravessa. Pode ser observado quando ocorre o gênero de nuvem Cirrostratus (veja uma foto na matéria sobre nuvens e no vídeo abaixo).

Aurora polar

Aurora vista do espaço (fotos superiores) e do solo.

Aurora vista do espaço (fotos superiores) e do solo.

A aurora polar é um fenômeno óptico composto de um brilho observado nos céus noturnos nas regiões polares. Também pode assumir a aparência de uma cortina de raios alinhada com o campo magnético terrestre, com cores específicas e mudam de forma constantemente. Forma-se em decorrência do impacto de partículas de vento solar e a poeira espacial encontrada na via láctea com a alta atmosfera da Terra, canalizadas pelo campo magnético terrestre. Cada colisão envolve dissociação, ionização, onde os elétrons são ejetados e ionizam outros átomos, e excitação, resultando na emissão de fótons na frequência específica dos elementos excitados quando da estabilização do átomo. Esses processos são fundamentais na formação da ionosfera. A emissão de oxigênio em altas camadas da atmosfera (aproximadamente 200 km de altitude) produz a tonalidade verde. Em tempestades solares mais fortes, camadas mais baixas (100 km) são atingidas pelo vento solar, produzindo a tonalidade vermelha escura pela emissão de átomos de Nitrogênio (principalmente) e oxigênio. Também pode ocorrer iluminação ultravioleta, violeta e azul.

Em latitudes do hemisfério norte é conhecida como aurora boreal (nome batizado por Galileu Galilei em 1619, em referência à deusa romana do amanhecer, Aurora, e ao seu filho, Bóreas, representante dos ventos nortes). Ocorre normalmente nas épocas de setembro a outubro e de março a abril. Em latitudes do hemisfério sul é conhecida como aurora austral, nome batizado por James Cook, uma referência direta ao fato de estar ao Sul. O fenômeno não é exclusivo somente à Terra, sendo também observável em outros planetas do sistema solar como Júpiter, Saturno, Marte e Vênus. O vídeo abaixo mostra as auroras boreais (em si são iguais às auroras austrais) com uma explicação do fenômeno. Veja a previsão de auroras nesse site: OVATION Aurora (NOAA).

Fontes: “Física Conceitual”, de Paul G. Hewitt, e NASA – The Polar Aurora.

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