Quando penetram na atmosfera terrestre em direcção à superfície, os raios luminosos que vêm do espaço interestelar mudam de direcção e são parcialmente decompostos, dispersos e absorvidos pelas camadas atmosféricas. Supõe-se que a atmosfera se compõe de finas camadas, cuja densidade aumenta à medida que se aproxima do solo. Em consequência desse aumento de densidade, um raio de luz, ao penetrar obliquamente na atmosfera, é sempre desviado ligeiramente em direcção vertical ao passar de uma camada à outra. Considerando que a densidade do ar aumenta de cima para baixo, o desvio aumenta progressivamente, de tal modo que o raio luminoso descreve uma trajectória curva com concavidade voltada para baixo.
Ao atingir o observador situado na superfície terrestre, este enxergará a fonte de luz na direcção em que o raio parece ter tido origem. Em consequência, o astro parece mais alto no horizonte do que está na realidade. Esse desvio é conhecido como refração astronómica. Quando a luz passa de um meio menos denso para outro mais denso ou vice-versa, a refração se produzirá obliquamente sobre a superfície que separa os dois meios. Assim, não haverá desvio se o raio penetrar verticalmente na atmosfera: os astros situados no zênite não sofrem desvios, pois a refração ali é nula.
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