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, a corona e o halo.
O vídeo a seguir mostra, através de um belo experimento, como funcionam alguns mecanismos físicos que geram alguns dos fenômenos explicados por aqui:
Céu azul e o Pôr do sol avermelhado
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.
Curiosidade: A cor normal do mar é azul porque essa é a tonalidade que as partículas de areia e os micro-organismos mais comuns na sua superfície refletem quando atingidos pela luz solar. Nas costas e nas proximidades das ilhas, o tom costuma ser verde por causa dos pigmentos amarelos presentes na matéria orgânica de algas e vegetais: ao misturar azul com amarelo, surge o verde. O Mar Negro tem essa aparência que aparece em seu nome devido à presença de bactérias que produzem ácidos escuros. Já o Mar Vermelho contém poeira rica em ferro avermelha as águas.
Arco-íris
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. Por causa da altura do Sol com relação ao horizonte, um arco-íris geralmente ocorre próximo do nascer ou do pôr-do-sol. 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
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
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.
Corona
A corona, também conhecida como “coroa”, é um fenômeno óptico que ocorre quando a luz do sol ou de uma fonte de luz brilhante passa através de pequenas gotículas de água ou partículas suspensas na atmosfera, como em nuvens de nevoeiro, névoa ou névoa. A corona aparece como uma série de anéis concêntricos de cores, com o centro mais brilhante e as cores se tornando mais fracas à medida que se afastam do centro. A corona é causada pela difração da luz ao redor das partículas suspensas.
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, que é fina e possui cristais de gelo – veja mais no post sobre Halo e seus fenômenos ópticos.
Fonte: “Física Conceitual”, de Paul G. Hewitt.
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