Óptica- Arco-Íris

Arco- Íris

O arco-íris é um fenômeno ótico causado pela refração da luz solar nas gotas de água (chuva) presentes na atmosfera. A refração divide a luz solar, branca, em espectros coloridos que caracterizam o arco-íris. A luz que recebemos do sol, considerada branca, é composta por várias cores e por isso é chamada de luz policromática.

Ele pode ser observado sempre que existirem gotículas de águas suspensas na atmosfera e a luz solar estiver brilhando acima do observador em baixa altitude ou ângulo, ou seja, ele pode acontecer durante ou após uma chuva. Esse acontecimento ocorre em razão da dispersão da luz. Dispersão é o fenômeno que causa a separação de uma onda em vários componentes espectrais.

A luz do sol é uma onda de luz branca formada por várias cores, quando essa luz incide sobre uma gota de água os raios luminosos penetram nela e são refratados, sofrendo assim a dispersão. O feixe de luz colorido, dentro da gota, é refletido sobre a superfície interna da mesma e sofre novo processo de refratação, motivo que provoca a separação das cores que um observador consegue ver. É evidente que essa dispersão ocorre com todas as gotas de água que estiverem na superfície recebendo a luz proveniente do Sol.

O arco-íris não existe realmente como em um local do céu, mas é uma ilusão de óptica cuja posição aparente depende da posição do observador. Todas as gotas de chuva refratam e refletem a luz do sol da mesma forma, mas somente a luz de algumas delas chega até o olho do observador. Estas gotas são percebidas como o arco-íris para aquele observador. Sua posição é sempre na direção oposta do sol com relação ao observador, e o interior é uma imagem aumentada do sol, que aparece ligeiramente menos brilhante que o exterior. O arco é centralizado com a sombra do observador, aparecendo em um ângulo de aproximadamente 40°–42° com a linha entre a cabeça do observador e sua sombra (Isto significa que se o sol está mais alto que 42° o arco-íris está abaixo do horizonte e o arco-íris não pode ser visto a menos que o observador esteja no topo de uma montanha ou em outro lugar de altura similar). Similarmente é difícil de fotografar o arco completo, o que requer um ângulo de visão de 84°. Para uma câmera de 35 mm, uma lente com foco de 19 mm ou menos é necessária, entretanto a maioria dos fotógrafos têm lentes de 28 mm.

O mesmo fenômeno pode ser reproduzido em outras situações através da refração de luz por um prisma de vidro.

Todos os objetos apresentam um determinado índice de refração e as gotas de chuva também. Elas funcionam como se fossem um prisma natural, mas precisam ter um tamanho e formato certos para formar o arco-íris.

A refração é o processo de desvio do feixe de luz que, ao passar de um meio material para outro (o ar, para a água da gota de chuva) sofre um atraso. Um lado da onda de luz desacelera primeiro que o outro, causando a separação das cores de acordo com a frequência. É isso que a gota de chuva faz com a luz. Ao passar do meio material do ar, para a água da gota de chuva, a luz sofre uma refração, desvia no interior da gota e depois sofre uma nova refração ao sair da gota de chuva.

Por que um arco?

Mas, se fosse só isto, veríamos então, ao invés de um arco-íris, vários feixes de luz colorida (com cada gota de chuva refletindo todas as cores do arco-íris: laranja, amarelo, vermelho, verde, anil, azul e violeta) e não todos eles arrumadinhos formando um arco.

A questão é que, quando a gota de chuva refrata a luz solar, as cores vão se separando de acordo com sua freqüência em ângulos diferentes com relação ao observador. Desta forma, apenas uma cor estará posicionada em um ângulo visível ao observador. E da mesma forma, todas as outras gotas ao redor desta, refratarão a mesma cor em direção ao observador, formando uma faixa larga de determinada cor que caracteriza o arco-íris.

Exemplificando: você está observando o arco-íris. A cor que você vê por cima, o vermelho, está sendo refratada por várias gotas de chuva que estão na mesma altura. Logo abaixo do vermelho, você vê a cor laranja, que está sendo refratada por gotas de chuva que estão logo abaixo das que estão refratando a cor vermelha e assim sucessivamente. Isso porque, as gotas de cima estão em um ângulo que permite que a cor vermelha seja refratada direto para você, enquanto as outras cores passam por baixo de seu campo de visão (ou por cima, dependendo da cor).

raios de luz entram de uma direção (tipicamente uma linha fina do sol até a gota de chuva), reflete no interior da gota, e sai dela. A luz deixando o arco-íris é espalhada em um grande ângulo, com a intensidade máxima de cerca de 40°–42°.

A luz branca se separa em diferentes cores (comprimentos de onda) ao entrar numa gota de chuva, como a luz vermelha sendo refratada por um ângulo menor que a luz azul. Ao sair da gota de chuva, os raios vermelhos são retornados por um ângulo menor que os raios azuis, produzindo o arco-íris.

Raios de luz entram de uma direção (tipicamente uma linha fina do sol até a gota de chuva), reflete no interior da gota, e sai dela. A luz deixando o arco-íris é espalhada em um grande ângulo, com a intensidade máxima de cerca de 40°–42°.

Podemos ver arco-íris de diferentes tamanhos porque, para estimar a sua largura, o nosso cérebro só tem como informação a dimensão do ângulo de visão que lhe corresponde. Se perto da imagem dele existirem objetos longínquos, como montanhas, o arco-íris parecerá maior. Se o arco-íris estiver perto de objetos menos distantes, parecerá menor. É fundamentalmente a mesma ilusão que faz com que a Lua, o Sol ou as constelações pareçam maiores quando estão perto do horizonte.

Algumas vezes, um segundo arco-íris mais fraco é visto fora do arco-íris principal, ele é devido a uma dupla reflexão da luz do sol nas gotas de chuva, e aparece em um ângulo de 50°–53°. Devido à reflexão extra, as cores do arco são invertidas quando comparadas com o arco-íris principal, com o azul no lado externo e o vermelho no interno. A região entre o arco-íris primário e secundário é denominada banda de Alexandre. Observa-se que essa faixa é mais escura que o resto do céu, por não ter qualquer reflexão de luz. Existem também os arco-íris geminados ou gêmeos e os supranumerários, que são fenômenos muito raros. O arco-íris geminado aparece como dois arco-íris que se separaram de uma única base. As cores no segundo arco, ao invés de reverterem como