Ciência e Tecnologia
Coluna Física sem Mistério
Ciência Hoje On-line
publicada em 18/11/2011
Recentemente estive no Rio de Janeiro e foi possível admirar as belezas da cidade em um ensolarado dia de primavera. Em particular, o céu estava muito azul, com algumas nuvens brancas. A cidade maravilhosa fica mais bela ainda com essa diversidade de cores produzida pela luz do Sol.
A luz que vem do Sol surge a partir da energia liberada nas reações de fusão nuclear que ocorrem no seu interior. No núcleo do Sol, temos temperaturas da ordem de 15 milhões de oC, que criam condições ambientais para que quatro núcleos de átomos de hidrogênio (prótons) sejam transformados em um núcleo do átomo de hélio (que tem dois prótons e dois nêutrons), levando também à liberação de dois pósitrons (partículas com as mesmas características do elétron, mas com carga positiva).
O saldo de todo esse processo é que o núcleo de hélio produzido tem massa menor que a dos quatro prótons de hidrogênio. Essa diferença é transformada em energia, segundo a famosa equação de Albert Einstein E=mc2, na qual ‘m’ é a massa e ‘c’ a velocidade da luz no vácuo.
Embora a diferença de massa seja muito pequena, o valor da velocidade da luz no vácuo é enorme (da ordem de 300 mil km/s), o que resulta em uma grande quantidade de energia, levada para fora do núcleo do Sol na forma de fótons (partículas de luz) com altas energias.
Esses fótons são absorvidos pelas diferentes camadas internas do Sol e fazem com que elas fiquem aquecidas e, assim, reemitam fótons. Grande parte da luz que chega até nós vem da superfície da estrela, onde a temperatura é da ordem de 6 mil oC. É nessa temperatura que os átomos aquecidos emitem a luz visível.
O Sol emite luz em quase toda a faixa do espectro eletromagnético, que vai de ondas com comprimento muito longo, chegando a dezenas de metros (como as ondas de rádio), até radiações com comprimentos de onda menores do que 0,01 nanômetro (um nanômetro corresponde a um milionésimo de um milímetro), que correspondem aos raios X e raios gama.
A luz que chega aos nossos olhos está em uma faixa estreita que chamamos de espectro visível, que corresponde a radiações entre 380 e 720 nanômetros. Nessa faixa, temos as cores vermelha, laranja, amarela, verde, azul, anil e violeta. Em particular, a principal emissão do Sol ocorre no comprimento de onda de 550 nanômetros, que corresponde sensivelmente à luz verde-amarelada. A luz que os nossos olhos observam vindo do Sol é a combinação de todas as cores do espectro visível, que resulta no branco.
Os nossos olhos provavelmente se adaptaram a captar a luz nessa faixa do espectro porque a maior parte dos raios luminosos que chegam à superfície da Terra tem esses comprimentos de onda.
Na verdade, as nuvens são compostas por gotas de água de diferentes tamanhos, e não por vapor d’água, como o senso comum costuma indicar. O vapor se condensa na forma de gotas em torno de partículas de poeira, fumaça e sal, suficientemente leves para permanecerem suspensas no ar. A grande maioria das gotas tem dimensões microscópicas (da ordem de um milésimo de milímetro).
Como em uma nuvem existe grande diversidade de tamanhos de gotas de água, cada uma espalha a luz branca proveniente do Sol de maneira diferente. Dependendo do seu tamanho, a gota de água espalha um determinado comprimento de onda e absorve os outros.
As gotas maiores espalham as cores de maior comprimento de onda (como vermelha e amarela), enquanto as gotas menores espalham as de menores comprimentos (por exemplo, azul e violeta). A combinação do espalhamento de todas as cores tem como resultado a cor branca.
Da mesma maneira, a ‘espuma’ que aparece na crista das ondas do mar também é branca devido ao efeito do espalhamento da luz por partículas de água com diferentes tamanhos. O mesmo vale para a ‘fumaça’ muitas vezes usada em shows de música. Nesse caso, utiliza-se gelo seco (que é feito de gás carbônico) para condensar o vapor d’água que existe no ar, fenômeno semelhante ao observado nas nuvens.
Quando as nuvens estão muito carregadas, menos e menos da radiação solar que entra nelas consegue chegar ao fundo das nuvens, o que lhes dá uma aparência mais escura.
Mas então por que o céu estava escuro, e não azul, como observamos durante os dias aqui na Terra? O céu é escuro porque a Lua não tem uma atmosfera tão densa como a nossa e, assim, não há espalhamento da luz. De fato, 10% da luminosidade observada durante o dia devem-se à difusão da luz do Sol pelas moléculas existentes na atmosfera.
Algumas partículas e moléculas da atmosfera – inclusive provenientes da poluição atmosférica – servem para difundir a luz do Sol para todas as direções. Certas partículas são mais efetivas em difundir determinado comprimento de onda de luz. Em particular, as moléculas de oxigênio e de ozônio (muito abundantes na atmosfera terrestre), devido às suas pequenas dimensões, conseguem difundir com mais eficiência a luz com comprimentos de onda curtos, como é o caso da luz azul e da violeta.
As moléculas de oxigênio presentes na atmosfera têm origem no processo de fotossíntese, por meio do qual as plantas e as algas convertem o gás carbônico em oxigênio molecular utilizando a luz do Sol. Logo, o céu azul é uma marca da existência da vida na Terra.
Certamente um dia com muita luz torna-se mais bonito e agradável. Mas, sempre que sentirmos na pele o calor que a luz provoca ou enxergarmos a beleza que ela pode revelar, devemos lembrar que tudo isso é fruto de processos físicos importantes. Por trás da beleza, há sempre algo a mais.
Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos
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Ciência e Tecnologia
Luzes e cores
Coluna Física sem Mistério
Ciência Hoje On-line
publicada em 18/11/2011
Recentemente estive no Rio de Janeiro e foi possível admirar as belezas da cidade em um ensolarado dia de primavera. Em particular, o céu estava muito azul, com algumas nuvens brancas. A cidade maravilhosa fica mais bela ainda com essa diversidade de cores produzida pela luz do Sol.
A luz que vem do Sol surge a partir da energia liberada nas reações de fusão nuclear que ocorrem no seu interior. No núcleo do Sol, temos temperaturas da ordem de 15 milhões de oC, que criam condições ambientais para que quatro núcleos de átomos de hidrogênio (prótons) sejam transformados em um núcleo do átomo de hélio (que tem dois prótons e dois nêutrons), levando também à liberação de dois pósitrons (partículas com as mesmas características do elétron, mas com carga positiva).
O saldo de todo esse processo é que o núcleo de hélio produzido tem massa menor que a dos quatro prótons de hidrogênio. Essa diferença é transformada em energia, segundo a famosa equação de Albert Einstein E=mc2, na qual ‘m’ é a massa e ‘c’ a velocidade da luz no vácuo.
Embora a diferença de massa seja muito pequena, o valor da velocidade da luz no vácuo é enorme (da ordem de 300 mil km/s), o que resulta em uma grande quantidade de energia, levada para fora do núcleo do Sol na forma de fótons (partículas de luz) com altas energias.
Esses fótons são absorvidos pelas diferentes camadas internas do Sol e fazem com que elas fiquem aquecidas e, assim, reemitam fótons. Grande parte da luz que chega até nós vem da superfície da estrela, onde a temperatura é da ordem de 6 mil oC. É nessa temperatura que os átomos aquecidos emitem a luz visível.
O Sol emite luz em quase toda a faixa do espectro eletromagnético, que vai de ondas com comprimento muito longo, chegando a dezenas de metros (como as ondas de rádio), até radiações com comprimentos de onda menores do que 0,01 nanômetro (um nanômetro corresponde a um milionésimo de um milímetro), que correspondem aos raios X e raios gama.
A luz que chega aos nossos olhos está em uma faixa estreita que chamamos de espectro visível, que corresponde a radiações entre 380 e 720 nanômetros. Nessa faixa, temos as cores vermelha, laranja, amarela, verde, azul, anil e violeta. Em particular, a principal emissão do Sol ocorre no comprimento de onda de 550 nanômetros, que corresponde sensivelmente à luz verde-amarelada. A luz que os nossos olhos observam vindo do Sol é a combinação de todas as cores do espectro visível, que resulta no branco.
Os nossos olhos provavelmente se adaptaram a captar a luz nessa faixa do espectro porque a maior parte dos raios luminosos que chegam à superfície da Terra tem esses comprimentos de onda.
Por que as nuvens são brancas?
O efeito da luz se espalhando nos objetos provoca situações interessantes. Uma pergunta muito comum, principalmente feita por crianças – afinal, nessa fase a curiosidade é bastante aguçada –, é por que as nuvens são brancas, já que o vapor d’água não tem cor.Na verdade, as nuvens são compostas por gotas de água de diferentes tamanhos, e não por vapor d’água, como o senso comum costuma indicar. O vapor se condensa na forma de gotas em torno de partículas de poeira, fumaça e sal, suficientemente leves para permanecerem suspensas no ar. A grande maioria das gotas tem dimensões microscópicas (da ordem de um milésimo de milímetro).
Como em uma nuvem existe grande diversidade de tamanhos de gotas de água, cada uma espalha a luz branca proveniente do Sol de maneira diferente. Dependendo do seu tamanho, a gota de água espalha um determinado comprimento de onda e absorve os outros.
As gotas maiores espalham as cores de maior comprimento de onda (como vermelha e amarela), enquanto as gotas menores espalham as de menores comprimentos (por exemplo, azul e violeta). A combinação do espalhamento de todas as cores tem como resultado a cor branca.
Da mesma maneira, a ‘espuma’ que aparece na crista das ondas do mar também é branca devido ao efeito do espalhamento da luz por partículas de água com diferentes tamanhos. O mesmo vale para a ‘fumaça’ muitas vezes usada em shows de música. Nesse caso, utiliza-se gelo seco (que é feito de gás carbônico) para condensar o vapor d’água que existe no ar, fenômeno semelhante ao observado nas nuvens.
Quando as nuvens estão muito carregadas, menos e menos da radiação solar que entra nelas consegue chegar ao fundo das nuvens, o que lhes dá uma aparência mais escura.
O azul do céu
É famosa a foto do astronauta norte-americano Edwin Aldrin (1930-) tirada quando ele esteve na Lua. Nela vemos a bandeira dos Estados Unidos e o módulo lunar totalmente iluminado, enquanto o céu está escuro, sem nenhuma estrela. Na verdade, não vemos estrelas no céu porque os astronautas desceram no lado da Lua que estava iluminado pelo Sol.Mas então por que o céu estava escuro, e não azul, como observamos durante os dias aqui na Terra? O céu é escuro porque a Lua não tem uma atmosfera tão densa como a nossa e, assim, não há espalhamento da luz. De fato, 10% da luminosidade observada durante o dia devem-se à difusão da luz do Sol pelas moléculas existentes na atmosfera.
Algumas partículas e moléculas da atmosfera – inclusive provenientes da poluição atmosférica – servem para difundir a luz do Sol para todas as direções. Certas partículas são mais efetivas em difundir determinado comprimento de onda de luz. Em particular, as moléculas de oxigênio e de ozônio (muito abundantes na atmosfera terrestre), devido às suas pequenas dimensões, conseguem difundir com mais eficiência a luz com comprimentos de onda curtos, como é o caso da luz azul e da violeta.
As moléculas de oxigênio presentes na atmosfera têm origem no processo de fotossíntese, por meio do qual as plantas e as algas convertem o gás carbônico em oxigênio molecular utilizando a luz do Sol. Logo, o céu azul é uma marca da existência da vida na Terra.
Certamente um dia com muita luz torna-se mais bonito e agradável. Mas, sempre que sentirmos na pele o calor que a luz provoca ou enxergarmos a beleza que ela pode revelar, devemos lembrar que tudo isso é fruto de processos físicos importantes. Por trás da beleza, há sempre algo a mais.
Adilson de Oliveira
Departamento de Física
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