Arco-íris

 Nota: Se procura o município paulista, consulte Arco-Íris (São Paulo). Para a praia gaúcha, veja Arco-íris (Capão da Canoa).

O início de um arco-íris, onde, segundo crenças populares, estariam escondidos diversos tesouros.

Diagrama que mostra como se formam os arco-íris primários e secundários em função da decomposição de luz branca em gotículas esféricas: 1. Gotículas esféricas; 2. Locais onde ocorre o reflexo interno da luz; 3. Arco-íris primário; 4. Locais onde ocorre a refração da luz; 5. Arco-íris secundário; 6. Raios incidentes de luz branca; 7. Caminho percorrido pelo luz que forma o arco-íris primário; 8. Caminho percorrido pelo luz que forma o arco-íris secundário; 9. Observador; 10. Região que forma o arco-íris primário; 11. Região que forma o arco-íris secundário; 12. Zona na atmosfera plena de incontáveis e diminutas gotículas esféricas.

Um arco-íris (também popularmente denominado arco-da-velha) é um fenômeno óptico e meteorológico que separa a luz do sol em seu espectro (aproximadamente) contínuo quando o sol brilha sobre gotas de chuva. É um arco multicolorido com o vermelho no seu exterior e o violeta em seu interior; a ordem completa é vermelho, laranja, amarelo, verde, azul, anil (ou índigo) e violeta. No entanto, a grande maioria das pessoas consegue discernir apenas seis cores, e o próprio Newton viu apenas cinco cores, e adicionou mais duas apenas para fazer analogia com as sete notas musicais. Ver também o artigo sobre as cores para informações sobre o espectro de cores do arco-íris.

Para ajudar a lembrar a sequência de cores do arco-íris, usa-se a mnemónica: «Vermelho lá vai violeta», em que l, a,v, a,i representam a sequência laranja, amarelo, verde, azul, índigo. Na língua inglesa é usada a mnemónica roygbiv.

O efeito do arco-íris pode ser observado sempre que existirem gotas de água suspensas no ar e a luz do sol estiver brilhando acima do observador em uma baixa altitude ou ângulo. O mais espetacular arco-íris aparece quando metade do céu ainda está escuro com nuvens de chuva e o observador está em um local com céu claro. Outro local propício à apreciação do arco-íris é perto de cachoeiras.

Vermelho	Laranja	Amarelo	Verde	Azul	Índigo	Violeta

Simbologia

Seu nome provém da mitologia grega, onde Íris era uma deusa que exercia a função de arauto divino. Em sua tarefa de mensageira, a deusa deixava um rastro multicolorido ao atravessar os céus.

Cristianismo, islamismo e judaísmo dizem que o arco-íris foi intitulado por Deus "arco-da-aliança", pois logo após o Dilúvio quando a Arca de Noé pousou sobre o Monte Ararate Deus prometeu que nunca mais iria destruir a Terra por meio da água e depois de cada chuva seu arco apareceria nas nuvens e este seria o símbolo da aliança estabelecida entre Deus e toda carne vivente de toda espécie que está sobre a terra e por todas as gerações futuras.

Na cultura yorubá, o arco-íris também é representado como mensageiro divino aos seres humanos na figura do orixá Oxumarê (Osûmàrè).

Física dos arco-íris

A aparência do arco-íris é causada pela dispersão da luz do sol que sofre refração pelas (aproximadamente esféricas) gotas de chuva.

A luz sofre uma refração inicial quando penetra na superfície da gota de chuva, dentro da gota ela é refletida (reflexão interna total), e finalmente volta a sofrer refração ao sair da gota. O efeito final é que a luz que entra é refletida em uma grande variedade de ângulos, com a luz mais intensa a um ângulo de cerca de 40°–42°, independente do tamanho da gota. Desde que a água das gotas de chuva é dispersiva, a grau que a luz solar retorna depende do comprimento de onda e da frequência, principalmente. A luz azul retorna em um ângulo maior que a luz vermelha, mas devido a reflexão interna total da luz na gota de chuva, a luz vermelha aparece mais alta no céu, e forma a cor mais externa do 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°.

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.

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.

Arco-íris visto de um trem da Estrada de Ferro Carajás, Maranhão Brasil.

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 objectos longínquos, como montanhas, o arco-íris parecerá maior. Se o arco-íris estiver perto de objectos 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 em um arco-íris duplo, aparecem na mesma ordem do arco-íris primário. Às vezes é mesmo observado em combinação com um duplo arco-íris. Isso ocorre devido á combinação de diferentes tamanhos de gotas de água que caem do céu. As gotas de chuva achatam com a resistência do ar à medida que caem , o que é mais proeminente nas grandes gotas de água. Quando duas pancadas de chuva com pingos de diferentes tamanhos combinam-se, cada uma delas produzem arco-íris ligeiramente diferentes, que podem combinar-se e formar um arco-íris geminado. Pode ser vista também, uma série alternada de bandas fracas, róseas e verdes localizados logo abaixo do arco-íris primário, como se fossem vários outros arco-íris muito finos e apagados no interior do arco primário. Como se trata de um número de arcos superior ao esperado, denominam-se arcos supranumerários. Um arco-íris supranumerário (ou arco-íris empilhado) é um fenômeno que consiste em várias cores repetidas do arco-íris, mais fracas, dentro do arco principal, e, muito raramente, também fora do arco-íris secundário. Os arco-íris supranumerários são ligeiramente destacados e tem faixas de cores que não se encaixam no padrão habitual. Os arcos supranumerários só foram explicados pelo físico e médico inglês Thomas Young (1773-1829) como sendo devidos à interferência entre os raios de luz que seguem caminhos um pouco diferentes, com comprimentos um pouco diferentes, dentro das gotas de chuva. Dados os diferentes ângulos de refração de raios de diferentes cores, os padrões de interferência são ligeiramente diferentes, de modo que cada faixa brilhante é diferenciada na cor, criando um arco-íris em miniatura.

De um aeroplano é possível ter a oportunidade de ver o círculo completo do arco-íris, com a sombra do avião ao centro.

Alguns raios de luz podem refletir duas vezes dentro da gota de chuva antes de sair. Quando a luz incidente é muito brilhante isto pode ser visto como um arco-íris secundário, brilhando a 50°–53°.

Um duplo arco-íris apresenta as cores invertidas no arco secundário.

Um triplo arco-íris é ainda mais raro de se ver. Uns poucos observadores já relataram a visão de quatro arcos, quando o arco mais externo tem uma aparência pulsante e vibrante.

A primeira explicação teórica precisa do arco-íris foi feita por Descartes em 1637. Sabendo que o tamanho das gotas de chuva não pareciam afetar o arco-íris observado, ele fez uma experiência incidindo raios de luz através de uma grande esfera de vidro cheia de água. Ao medir os ângulos que os raios emergiam, ele concluiu que o primeiro arco era causado por uma única reflexão interna dentro da gota de chuva e que o segundo arco podia ser causado por duas reflexões internas. Ele foi capaz de chegar aos seus resultados a partir da lei de refração (em consequência, mas independentemente da Snell) e calculou corretamente os ângulos de ambos os arcos. Entretanto, ele não foi capaz de explicar as cores.

Isaac Newton foi o primeiro a demonstrar que a luz branca era composta da luz de todas as cores do arco-íris; com um prisma de vidro, pôde decompor a luz branca no espectro completo de cores e, com outro, pôde recombinar o feixe de luz em luz branca. Também demonstrou que a luz vermelha é refratada menos que a azul o que levou a uma completa explicação do efeito óptico do arco-íris.

Ocorre também o efeito de Polarização nas gotículas d'água quando se forma um arco-íris. Isso é consequência das reflexões dentro destas gotas, que são considerados corpos transparentes. Conforme a lei de Brewster, para polarização por reflexão em corpos transparentes, o grau de polarização varia de acordo com o ângulo de incidência, com o comprimento de onda da luz e com o par de meios transparentes por onde passa (como qualidade e índice de refração da superfície refletora). Nesse caso, a polarização é total quando o raio refletido for perpendicular ao raio refratado (sen l = cos i).

O arco-íris e a literatura

Arco-íris visto de um helicóptero.

O arco-íris é também utilizado em muitas histórias contemporâneas, como na canção Over the Rainbow e no filme musical O Mágico de Oz.

Um dos poemas de William Wordsworth…

My heart leaps up when I behold

A rainbow in the sky:

So was it when my life began;

So is it now I am a man;

So be it when I shall grow old,

Or let me die!…

Meu coração salta quando eu contemplo

Um arco-íris no céu:

Foi assim quando minha vida começou;

É ainda, agora sou um homem;

Assim seja quando eu envelhecer,

Ou deixe-me morrer!...

Entretanto, a desconstrução newtoniana do arco-íris provocou o lamento de John Keats....

Do not all charms fly

At the mere touch of cold philosophy?

There was an awful rainbow once in heaven:

We know her woof, her texture; she is given

In the dull catalogue of common things.

Philosophy will clip an Angel’s wings,

Conquer all mysteries by rule and line,

Empty the haunted air, and gnomed mine -

Unweave a rainbow

Em contraste a estes, temos Richard Dawkins falando sobre seu livro Desvendando o Arco-Íris: Ciência, Ilusão e Encantamento …

"Meu título vem de Keats, que acreditava que Newton tinha destruído toda a poesia do arco-íris ao reduzi-lo a cores prismáticas. Keats não poderia estar mais errado, e meu desejo é guiar todos que estão tentados a uma visão similar, até a conclusão oposta. Ciência é, ou deveria ser, a inspiração para os grandes poetas."

Arco-íris em Paulínia, cidade brasileira.

Curiosidades

• A luz do sol refletida pela lua também é capaz de criar um arco-íris.

Referências gerais

• Robert Greenler, Rainbows, Halos, and Glories, (1980) ISBN 0-521-38865-1
• David K. Lynch & William Livingston, "Color and Light in Nature", 2nd edition (2001) ISBN 0-521-77504-3
• M.G.J. Minnaert, "Light and Color in the Outdoors", 1995 ISBN 0-387-97935-2
• M. Minnaert, "The Nature of Light and Color in the Open Air", 1973 ISBN 0-486-20196-1
• David Halliday, "Halliday volume 4, óptica e física moderna", 2009 ISBN 978-85-216-1608-5.
• Luís Miguel Bernardo, "Histórias da Luz e das Cores, volume 1", EDITORA UP, 2009 ISBN 978-972-8025-34-3

Ver também

• Bandeira arco-íris
• Arco-da-velha
• Cor
• Luz
• Polarização
• Halo (fenômeno óptico)
• Arca de Noé

Ligações externas

• «Creation of a false rainbow» 
• «Lez Cowly's Atmospheric Optics» 
• «Beverly T. Lynds' About Rainbows» 
• «Blake Ebersole's Rainbow Science» 
• http://www.seara.ufc.br/folclore/folclore60.htm 
• http://www.searadaciencia.ufc.br/queremosaber/fisica/oldfisica/respostas/qr0065.htm 
• https://pt.wikipedia.org/wiki/Polariza%C3%A7%C3%A3o