Iluminação do céu

12 de agosto, 2024 às 11:51 | Postado em Astronomia, Atmosfera, Mítica Terra Plana, Ondas eletromagnéticas, Óptica, Óptica geométrica, Radiação

Caro professor Lang

Sabemos que a distância Terra-Sol é grande e que a luz chega ao nosso planeta praticamente como raios luminosos paralelos. Entretanto a iluminação do horizonte voltado para o poente não é homogênea, estando o céu mais iluminado na direção do próprio Sol. O vídeo Pier sunrise bay fishing water exemplifica tal fato pois vemos que à direita e à esquerda do poente a iluminação do céu diminui a medida que se afasta do Sol. As nuvens mais afastadas do Sol estão menos iluminadas do que as mais próximas.

Esse fato, que pode ser notado em muitas outras imagens, é usado como argumento para concluir que o Sol não está longe mas perto do observador. Certamente existe uma explicação que não é esta de um Sol próximo.

Agradeço antecipadamente a resposta.

A luz que vem do céu acontece graças ao fato de que a atmosfera espalha a luz solar que chega até ela. Caso não houvesse atmosfera, o céu seria escuro independentemente de haver ou não radiação solar por ali passando. Portanto para se entender o que pode ser observado no céu, deve-se compreender algumas propriedades do espalhamento da luz por partículas da atmosfera.

O espalhamento da luz na atmosfera é o processo pelo qual pequenas partículas (por exemplo, cristais de gelo, gotículas de água, poeira, moléculas, …) desviam a luz de uma trajetória retilínea em variadas direções.

Partículas pequenas como as moléculas de oxigênio e nitrogênio espalham  principalmente as luzes violeta e azul (vide Espalhamento de Rayleigh) em todas as direções mas com alguma preferência na direção original da propagação da luz solar (a distribuição espacial da luz espalhada encontra-se em Wikipedia). Assim um observador perceberá luz azul vinda de um céu límpido, livre de nuvens ou outras partículas maiores do que as moléculas que compõem o ar.

Partículas muito maiores do que as moléculas – por exemplo cristais de gelo, gotículas de água, poeira – espalham todas as cores contidas no espectro da luz branca solar  segundo ângulos pequenos com a direção original da radiação solar. Por isso é possível se perceber no céu nuvens ou até uma névoa esbranquiçada pairando sobre regiões com muita poluição atmosférica.

A figura 1, retirada de [1], é uma representação esquemática dessas possibilidades, indicando a direção original da luz ao incidir em uma partícula e as direções em que ocorre o espalhamento (o comprimento das setas originadas na partícula informam a intensidade da luz espalhada).

Então se um observador olha duas nuvens semelhantes no céu (figura 2), verá a nuvem mais próxima da direção de incidência da luz solar na atmosfera mais iluminada pois dessa nuvem chegará ao observador luz espalhada com maior intensidade pois o espalhamento é feito por gotas de água líquida ou  cristais de gelo com tamanhos grandes comparados aos das moléculas. Para esses centros de espalhamento vale as representações da figura 1 que identificam intensidades em direções mais próximas da direção original da radiação solar.

Desta forma a cor e a intensidade da iluminação observada nos céus pode variar apesar de a radiação solar que chega em nossa atmosfera esteja uniformemente distribuída. A distribuição da luz observada nos céus é dependente da localização do observador, do tamanho das partículas responsáveis pelo espalhamento e da direção original da luz solar.

Vídeo que trata do tema dessa postagem: O Sol está próximo por causa da iluminação do céu?

[1] Minnaert, M. The nature of light and colour in the open air. New York: Dover, 1954.