Propagação da Luz na Atmosfera

A maioria das observações astronômicas são feitas da superfície da Terra. Os telescópios encontram uma barreira natural que em algumas vezes dificulta a observação do Universo, por isso vamos conhecer um pouco dessa “barreira” – a atmosfera terrestre.
A atmosfera é composta de várias camadas: A troposfera, estratosfera, mesosfera, ionosfera, exosfera. Mais próximo da Terra esta a troposfera. A maioria das nuvens que você vê no céu são encontradas na troposfera, e esta é a camada da atmosfera que nós associamos com o tempo. Estendendo-se até 10 quilômetros acima da superfície da Terra, a troposfera contém uma variedade de gases: oxigênio, vapor d’água, dióxido de carbono, metano, óxido nitroso, etc. Estes gases ajudam a reter o calor, isto é, uma porção da qual é então irradiada de volta para aquecer a superfície da Terra.

Acima da troposfera é a estratosfera, que contém a camada de ozônio. A estratosfera se caracteriza pelos movimentos de ar em sentido horizontal, fica situada entre 7 e 17 até 50 km de altitude aproximadamente. Moléculas de ozônio, que estão concentradas nessa camada, absorvem a radiação ultravioleta do Sol e proteger-nos de seus efeitos nocivos.

Entre 50 a 85 km de altitude acima da superfície está a mesosfera, a parte mais fria da atmosfera com temperaturas chegando até a -90°C em seu topo. Acima da mesosfera, em uma camada chamada ionosfera (também chamada termosfera), as coisas começam a aquecer. As temperaturas na ionosfera, que se estende cerca de sessenta e mil quilômetros de altitude a partir da superfície da Terra, pode chegar a até centenas de graus centígrados. Além da ionosfera esta a exosfera, que se estende até cerca de 500 quilômetros acima da superfície da Terra. Esta é a camada mais externa da atmosfera, a zona de transição para o espaço.

Existe um fenômeno chamado Refração e esta presente também na atmosfera terrestre. Refração atmosférica é a mudança na direção aparente de um objeto celeste causado pela refração dos raios de luz quando passam através da atmosfera.
O piscar das estrelas e variação de tamanho do Sol são devido à refração atmosférica.

As estrelas brilham realmente? Não, as estrelas não brilham...!
Os raios de luz provenientes das estrelas viajam através das camadas de ar de densidades diferentes, por isso elas cintilam.
Refração é o fenômeno que ocorre com a luz quando ela passa de um meio homogêneo e transparente para outro meio também homogêneo e transparente, porém com diferentes densidades.

A figura ao lado ilustra muito bem como funciona a refração da luz em dois meios diferentes, no ar e na água. No vácuo do espaço a luz não encontra dificuldade para se propagar. Portanto o índice de refração absoluto do vácuo é sempre 1. A atmosfera da Terra possui densidades diferentes de acordo com a altitude. Um raio de Sol vindo do espaço sofre um desvio ao entrar na atmosfera terrestre, pois passou de um meio de densidade nula (o vácuo do espaço) para um meio com uma outra densidade. A refração é a mudança de direção de um onda devido a uma mudança na sua velocidade.
Como esse resultado, a posição da imagem da estrela vai mudando depois de cada intervalo curto. Estas posições das imagens formadas em intervalos curtos de tempo nos dão a impressão de que a estrela está brilhando.
Ao entardecer ou amanhecer, o Sol parece ser maior do que ao meio-dia. Isso ocorre porque quando o sol está perto do horizonte os raios de luz provenientes do sol têm que passar por camadas de ar de densidade diferentes.
Devido à contínua curvatura da luz, o Sol parece ser maior. Ao meio-dia, o sol parece ser menor do que ao entardecer ou amanhecer. Isto é porque os raios de luz que “caem” normalmente sobre a superfície da terra não são refratados.
A refração atmosférica faz com que objetos astronômicos pareçam mais alto no céu do que são na realidade.

Refringência e Refração da Luz

As miragens que aparecem em desenhos animados ou filmes não são alucinações, como pensam muitas pessoas. Miragem é um efeito ótico real que ocorre na atmosfera e que pode inclusive ser fotografado.
Esses fenômenos óticos ocorrem por causa da variação do índice de refração do ar atmosférico com a temperatura. Um exemplo muito comum talvez seja a de uma imagem a distância que aparece como que refletida no asfalto, dando a nítida impressão de que o asfalto está molhado e que essa imagem foi refletida por uma poça d’água. No caso do asfalto, o ar próximo ao solo fica muito quente e por essa razão, menos refringente do que nas camadas acima dele. Os raios de luz ao descerem, passam de regiões mais refringentes para outras sucessivamente menos refringentes, até sofrerem reflexão total em uma camada próxima ao solo. Um observador que recebe essa luz refletida tem a impresão de que há uma imagem do objeto no solo.Em outras palavras, quando a temperatura do solo torna-se muito elevada, o ar aquecido junto ao solo torna-se menos denso e, consequentemente, menos refringente que o ar que se encontra um pouco mais acima. Por esse motivo, um raio de luz que desce obliquamente de encontro ao solo pode sofrer reflexão total antes de atingi-lo. Vamos a explicação mais detalhada:
Quando a luz passa de um meio material para outro meio ocorre duas coisas. A primeira é que a velocidade da luz muda. A segunda é que quando a incidência não é oblíqua, a direção de propagação também muda.
O desvio que a luz sofre quando passa de um meio para outro, depende da velocidade da luz nos dois meios. A grandeza física que relaciona as velocidades nos dois meios, é o índice de refração relativo, que é definido como sendo a razão entre a velocidade da luz no primeiro meio e a velocidade da luz no segundo meio.

A velocidade da luz no vácuo é de 300 000 km/s e em outro meio qualquer é menor do que este valor. Portanto, o valor do índice de refração em qualquer meio, exceto o vácuo, é sempre maior que a unidade (n > 1).
Índica de refração de alguns meios em ralação ao vácuo:
Vácuo: 1.0
Ar: 1.03 (apróx. 20°C)
Água: 1.3 (pura, apróx. 20°C)
Álcool: 1.36
Glicerina: 1.47
Vidro: 1.50 a 1.9
Quartzo: 1.54
Diamante: 2.4
Acrílico: 1.49
Ex: Colocando um lápis com uma inclinação dentro de um copo com água, você observará pela lateral do copo que parece que o lápis está quebrado. Isso se chama refração, isto é, o lápis atravessa dois meios diferentes,  o AR e a Água (figura abaixo).

Refringência
Um meio é mais refringente que outro quando seu índice de refração é maior que do outro. Ou seja, o etanol é mais refringente que a água.
Podemos dizer também que, um meio é mais refringente que outro quando a luz se propaga por ele com velocidade menor que no outro.
Quando a luz das estrelas entra na atmosfera terrestre, encontra camadas de ar cada vez mais densas e, como consequência, índices de refração também cada vez maiores, fazendo com que enxerguemos as estrelas mais elevadas, isto é, para que a luz de uma estrela chegue até os nossos olhos, ela tem que passar por vários meios diferentes, o vácuo do espaço, as camadas mais elevadas da atmosfera até a camadas inferiores, portanto na verdade nós não estamos vendo a posição real dessa estrela. Assista o vídeo…