Cor do céu

A cor do céu resulta da interação entre a luz do Sol e as moléculas e partículas da atmosfera terrestre .

O espalhamento das ondas de radiação solar pela atmosfera sem nuvens afeta mais as partes mais energéticas do espectro de luz , que correspondem à cor azul na visão humana . Essas partes de comprimento de onda curto são mais abundantes em dispersão do que em luz direta: o céu é azul. Uma nuvem , formada por gotículas de água em suspensão, difunde quase igualmente todas as partes do espectro: parece branco acromático.

A percepção da cor do céu também depende da adaptação visual .

Cores do céu

“Seria mais correto falar das cores do céu, porque ali se pode admirar, com os tons azuis ou quase arroxeados na direção perpendicular à do sol, os orangotangos e os vermelhos crepusculares. Sem falar nas grandes cortinas luminosas da Aurora Boreal e na paleta do arco - íris . "

- A. Villevielle.

Na Terra e em um dia claro no meio do dia, os tons de azul variam dependendo da direção do sol, hora do dia, região de observação e altitude. Vários nomes de cores são baseados na cor do céu em um país temperado com bom tempo: azul celeste , azul celeste . Na pintura de paisagem , geralmente preferimos um céu de tons variados e coberto de nuvens. No XIX th século, o comerciante cor Rowney comercializado sob o nome caeruleum "cor do céu" em latim , um pigmento cuja propriedade de azul aparecer mesmo à luz de velas fez o sucesso.

Física da cor

Céu azul diurno

Durante o dia, fora das fases em que o Sol nasce ou se põe , podemos observar um céu azul insaturado em todas as direções, exceto o do Sol, e muito brilhante e branco nessa direção.

Durante o dia, a luz do sol predomina; a quantidade de luz proveniente de outras estrelas é insignificante. Em um dia claro - ou seja, em um céu sem nuvens com pouca ou nenhuma poeira suspensa - parte dessa luz atinge a superfície do solo em raios especulares, após ter sofrido refrações . Outra parte interage com moléculas na atmosfera. As moléculas de nitrogênio , que ocupam 78% do volume da atmosfera terrestre , e as moléculas de oxigênio , que ocupam 20%, atuam na luz incidente.

A luz é uma onda eletromagnética . Quando o campo eletromagnético de luz chega a uma molécula ou átomo, deforma a nuvem eletrônica desta e cria um dipolo eletrostático que, por sua vez, emitirá uma onda eletromagnética. Esta onda pode ser emitida em qualquer direção, mas com intensidade dependendo do ângulo da onda incidente.

A luz é espalhada de acordo com o modelo de Rayleigh (espalhamento omnidirecional seletivo) quando as moléculas envolvidas têm um tamanho da ordem de um décimo do comprimento de onda ou menos, que é o caso das moléculas envolvidas na atmosfera terrestre desde o diâmetro de um a molécula do dinitrogênio é 0,315 nm , a do oxigênio é 0,292 nm . A potência média espalhada por uma molécula no modelo de Rayleigh segue:

{\ displaystyle \ left \ langle P \ right \ rangle = {\ frac {{\ mu} _ {0}} {12 \ pi c}} {{\ omega} ^ {4}} {{p} _ {0 }} {} ^ {\ text {2}}}

Ou :

μ 0 é a permeabilidade do vácuo
p 0 a amplitude do momento de dipolo do dipolo electrostática formada pela nuvem electrónica da molécula e os átomos afectadas pelo incidente campo electromagnético (luz)
ω é a pulsação da onda de luz

É comum designar os raios de luz por seu comprimento de onda no vácuo. Eles se espalham, na ordem das cores do arco - íris , do vermelho por volta de 600 nm ao violeta por volta de 400 nm . Como o pulso da onda é inversamente proporcional ao comprimento de onda, o do roxo é cerca de 3/2 do vermelho. Na equação, chega à potência de 4; a dispersão, portanto, afeta a luz violeta 81/16, cerca de cinco vezes mais do que a luz vermelha.

Como resultado, a radiação proveniente do Sol é ponderada por um fator proporcional a : a parte do espectro visível próxima ao azul é, portanto, difusa e observável em todo o céu, enquanto os vermelhos cruzam a atmosfera quase diretamente. ${\ displaystyle 1 / \ lambda ^ {4}}$

No modelo de Rayleigh, a intensidade espalhada é

$I = I_ {0} \ cdot 8 \ pi ^ {4} \ cdot N \ alpha ^ {2} \ cdot {\ frac {1+ \ cos ^ {2} (\ Theta)} {\ lambda ^ {4} \ cdot R ^ {2}}}$

N é o número de partículas
$\ lambda$ é o comprimento de onda da luz incidente
$\alfa$ é a polarizabilidade
$\ Theta$ é o ângulo entre a onda incidente e o observador

Durante o dia, o sol está alto no céu e toda a atmosfera difunde a cor azul mais fortemente do que o vermelho (a luz espalhada lateralmente pelas moléculas do gás atmosférico é principalmente azul porque a luz do sol não é inicialmente muito roxa). Por outro lado, ao nascer ou pôr do sol , a luz vermelha chega até nós quando olhamos para o sol, por ser menos difusa: a luz solar, pastosa, atravessa uma camada da atmosfera dez a quinze vezes maior do que no zênite. O espalhamento Rayleigh se intensifica e diz respeito aos comprimentos de onda curtos e médios do espectro visível (os comprimentos de onda mais longos, ou seja, vermelho, melhor transmitido e menos espalhado, cruzam esta camada atmosférica). A radiação direta do Sol, liberada de alguns dos comprimentos de onda curtos por esse espalhamento, é dominada pelo amarelo, daí a cor do sol.

A cor do céu depende da incidência dos raios solares, variando com as horas e as estações, e com a composição da atmosfera, principalmente da quantidade e do tamanho das gotas de água que contém em suspensão. Em altitude, onde as gotas de água no ar são mais raras, a dispersão é menor. O céu é de um azul mais profundo , o que significa menos brilhante e mais saturado .

Se a atmosfera geralmente não está suficientemente saturada com partículas em altitude, as camadas mais baixas da atmosfera contêm aerossóis e poeira que modificam o processo físico envolvido: o espalhamento de Mie ocorre nessas altitudes mais baixas. Entre os aerossóis, as gotículas de água suspensas que formam as nuvens são as mais comuns. O espalhamento de Mie é uniforme para o espectro visível; as nuvens aparecem, portanto, na cor da luz que as ilumina, ou seja, são brancas ou cinzentas.

Polarização da luz do céu

Se observarmos o céu em uma direção que forma um ângulo α com a direção do Sol, a radiação é tanto mais polarizada quanto a direção de observação se afasta da direção da estrela. A direção dominante é perpendicular à direção do sol e a taxa de polarização da luz por espalhamento de Rayleigh é:

{\ displaystyle P = {\ frac {\ sin ^ {2} \ alpha} {1+ \ cos ^ {2} \ alpha}}}

Como o espalhamento de Rayleigh é predominante, a luz que vem de uma direção perpendicular à do Sol é, portanto, quase completamente polarizada. O espalhamento de Rayleigh sendo inversamente proporcional à 4ª potência do comprimento de onda, produz luz azul, cuja polarização é explorada em fotografia para obter céus azuis mais profundos.

Cor do céu ao pôr do sol e nascer do sol

O céu durante o amanhecer ou anoitecer é feito de muitas cores, geralmente quentes como laranjas e vermelhos. Durante essas horas do dia, a dispersão de Rayleigh não é o único fenômeno em jogo. A camada de ozônio , atravessada pela luz do sol a uma distância maior quando o Sol está no horizonte , absorve parte da radiação luminosa e dará o azul escuro do céu no zênite ao entardecer . A difusão continua sendo o fenômeno principal, entretanto. Como a camada da atmosfera pela qual os raios do Sol passam é 10 a 15 vezes maior quando o Sol está no horizonte em comparação com sua posição zenital, a dispersão dos comprimentos de onda mais curtos (roxo e azul) os dispersa. Quase inteiramente dando origem ao vermelho e cor laranja do céu na direção do Sol quando ele nasce e se põe.

Nascer do sol no deserto da Califórnia, 2012.
Pôr do sol em Botswana sobre o rio Chobe, 2007.
Pôr do sol sobre o Lago Michigan , 2016.

O céu noturno

O céu noturno está privado de luz solar. Como resultado, está escuro , permitindo que milhares de estrelas sejam observadas cintilando no céu. As estrelas estão sempre presentes durante o dia (as mais brilhantes são visíveis com um telescópio ), mas não podem ser vistas porque o Sol compete com elas.

O paradoxo de Olbers conhecido como “do céu de fogo” afirma uma contradição, se supormos o universo fixo, entre o céu negro da noite e uma infinidade de estrelas em um universo infinito.

Percepção humana da cor

A visão humana s' se adapta à luz prevalecente, que parece sempre branco, a menos que seja muito diferente da radiação de um corpo negro . Esta propriedade permite que os objetos sejam reconhecidos por sua cor, mesmo em diferentes ambientes de luz.

A luz que vem do céu é incomparavelmente mais fraca do que a do sol e é muito mais rica em comprimentos de onda curtos. Quando o sol está visível, ele parece azul.

O olho humano contém três tipos de fotorreceptores, chamados cones, cada tipo sendo sensível a uma determinada faixa de comprimentos de onda. Os cones S, para comprimento de onda curto, representam apenas cerca de 10% do total de cones presentes na retina na fóvea . A sensibilidade máxima dos cones S é de cerca de 442 nm , a dos cones M (para comprimentos de onda médios) é de 543 nm , dos cones L (comprimentos de onda longos) é de 570 nm .

O processo de atribuir uma cor aos sinais enviados pelos cones é um processo nervoso que ocorre no cérebro. A luz que chega ao olho tem uma intensidade espectral particular que eliciará uma resposta para cada tipo de cone correspondente à integral do produto da intensidade espectral pela resposta espectral do tipo de cone em questão.

A intensidade espectral da luz do céu é percebida de forma idêntica à mistura de uma luz branca e uma luz monocromática . Uma modelagem teórica usando as curvas teóricas de intensidade espectral da luz difundida no céu e das sensibilidades dos cones dão:

λ monocromático no comprimento de onda de 474 nm, ao qual o cérebro geralmente atribui o azul
Uma razão de I luz branca para I λ de 0,049 que mostra que o azul observado é um azul insaturado

Esses valores são apenas ligeiramente modificados quando os espectros do céu real são levados em consideração ( monocromático λ em 476 nm , razão de I luz branca para I λ de 0,063).

Os humanos com daltonismo , que são anormalidades na percepção das cores devido à falta de fotorreceptores de um determinado tipo, distinguem muito menos cores do que outros. Tritanopes, com uma população S cone anormal, percebem o azul do céu como verde.

A resposta do olho humano ao espectro de luz do céu é o principal obstáculo colocado na identificação das cores do céu de outros planetas: sensores, filtros e câmeras de bordo não têm as mesmas respostas que o olho, nas capturas realizadas apresentará um viés e as “cores vistas” pela sonda serão diferentes das cores que seriam vistas pelos humanos.

Cor do céu de outros planetas

Em Marte , a cor do céu pode ser observada. Em 1976, a sonda Viking 1 surpreendentemente indicou que o céu marciano era azul, o que foi negado após a calibração dos dispositivos da sonda. A Viking 1 adquiriu imagens utilizando uma roda de filtro para as três cores primárias (azul, vermelho e verde), dando durante as primeiras capturas a impressão de que o solo era de um vermelho alaranjado intenso e o céu muito claro, com um leve tom de azul semelhante a um dia nublado na Terra. A ponderação dessas três cores para síntese não foi aplicada para corresponder à visão fotópica humana (visão diurna).

O céu marciano é salmão ou escarlate durante o dia. Essa cor se deve aos ventos de poeira soprando matéria na atmosfera, o que a tinge de vermelho. Ao pôr do sol e ao nascer do sol, o céu marciano muda de cor como na Terra, mas sua tonalidade fica menos vermelha.

A cor do céu venusiano parece ser, de acordo com as sondas soviéticas da década de 1980, uma cor laranja-avermelhada.

Cultura

Mitologia

O azul do céu está associado em muitos escritos religiosos monoteístas ou politeístas a divindades ou pedras preciosas. No Êxodo e no Novo Testamento, a safira é o emblema do céu em referência ao trono de Deus. Para os egípcios, é o lápis-lazúli que está associado a Amon, o criador do céu e da terra. No hinduísmo e no budismo tibetano, o azul do céu também é a cor da alma.

A maioria dos deuses associados ao céu deveria usar ornamentos ou roupas azuis : Mavu , deus do céu da ovelha (arredores de Gana ), Odin ...

Ciência

Na Antiguidade a cor do céu, além das diferentes mitologias, encontrou suas primeiras explicações com os filósofos gregos que tentaram explicar os fenômenos ópticos naturais que os cercavam. O azul do céu teve por origem, segundo eles, o fato de a luz cruzar o ar, e o ar, incolor na origem, quando se condensou deu sua cor azul ou vermelha à luz.

Leonard Euler explica em 1760 que o azul do céu perde sua intensidade com a altitude. Entre as especulações sobre a cor do céu diurno, em contraste com as do céu noturno, as de Goethe se destacam por nele basear sua teoria das cores.

A pesquisa tomou um rumo mais experimental com Horace-Bénédict de Saussure, que por volta de 1790 usou uma cartela de cores de 51 azuis que chamou de “cianômetro” para avaliar a do céu. Mostra que a cor do céu é mais intensa na altitude. Jean-Baptiste Biot constrói um instrumento que chama de "colorígrado" e mostra que a intensidade da cor está menos em uma direção próxima à do Sol e que sua luz está polarizada . Por volta de 1830, François Arago explica que “a luz azul do céu (…) se deve à reflexão radiante molecular e não à reflexão especular ou em camadas” . A Forbes aborda o assunto a partir de 1839, publicando vários artigos, incluindo " Sobre a Transparência da Atmosfera e as Leis de Extinção dos Raios do Sol que por ela passam ", que lhe valeu a Medalha Real em 1843 . Forbes estava interessado na transmissão da luz através do vapor de água; Em 1871, Rayleigh deu uma formulação matemática ao espalhamento da luz por partículas de dimensões muito menores que o comprimento de onda da radiação, na origem da cor azul.

Apêndices

Bibliografia

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Referências

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