Como A Ciencia Explica A Formaçao Do Arco Iris

A física por trás de um arco-íris

O arco-íris aparece quando a luz do sol atravessa gotas de água suspensas na atmosfera. Não há misticismo nisso, apenas óptica geométrica e refração. A luz branca do sol entra na gota, é refratada, reflete na face interna e sai novamente refratada. Como cada cor tem um índice de refração ligeiramente diferente, a luz branca se separa em um espectro que vai do vermelho ao violeta. A explicação começa com a lei de Snell. Quando a luz passa do ar para a água, ela muda de direção. O ângulo de desvio depende do comprimento de onda. Vermelho sofre menos refração que violeta. Dentro da gota esférica, a luz encontra a superfície interna e reflete por reflexão total interna. Ao sair, refrata novamente e o espalhamento angular final é de cerca de 42 graus para o vermelho e 40 graus para o violeta. Esse intervalo angular explica por que vemos o vermelho no exterior e o violeta no interior do arco. O ângulo de 42 graus forma um cone com vértice no olho do observador e eixo definido pela linha Sol-olho. A interseção desse cone com o plano do céu produz o círculo que interpretamos como arco-íris. Na prática, só vemos metade porque o horizonte corta o resto.

Um detalhe que muitos não consideram: o arco-íris secundário existe e aparece a cerca de 51 graus do ponto oposto ao Sol. Ele inverte as cores porque a luz sofre duas reflexões internas dentro da gota. É mais fraco porque cada reflexão perde intensidade. A zona entre os dois arcos, chamada faixa de Alexandre, aparece mais escura. Isso foi observado matematicamente por Alexandre de Hikschel no século treze. Eu já tentei reproduzir um arco-íris artificial em laboratório usando um balde com água e uma lanterna branca. O resultado sempre fica turvo porque as gotas não são esféricas perfeitas. A solução prática é usar um nebulizador de precisão ou mesmo uma esfera de vidro oca preenchida com água. Com uma esfera de quatro centímetros e luz colimada, o espectro sai nítido numa tela branca posicionada a oitenta centímetros. O vermelho aparece em 42 graus e o violeta em 40, exatamente como a teoria prevê. A cor cinza que muitas vezes aparece nas bordas externas do arco não faz parte do espectro principal. É luz dispersa por gotas menores que causam difração. Esse efeito produz faixas pálidas chamadas arcos brancos ou arcos secantes. Eles são visíveis quando há nuvens finas de gotículas uniformes, tipo cirros estratificados. Em condições normais de chuvisco, você dificilmente os nota porque o brilho do arco primário encobre.

Outro ponto contra intuitivo: o arco-íris não é um objeto físico fixo no céu. Cada observador vê um arco-íris diferente porque cada um tem seu próprio cone de visão. Se você e um colega estão lado a lado olhando para o mesmo arco, vocês estão vendo gotas diferentes. Mover-se cinco metros lateralmente altera completamente quais gotas contribuem para a formação da imagem. Isso explica por que nunca se chega ao "fim" do arco-íris, independente da velocidade de deslocamento. Em situações de campo, a iluminação solar é o fator limitante. O Sol precisa estar baixo no horizonte, abaixo de dezoito graus de altitude. Acima disso, o ângulo do cone fica abaixo da linha do horizonte e o arco desaparece da visão direta. Por isso arcos-íris completos são mais comuns pela manhã cedo ou fim de tarde. No meio do dia, só se observa parcialmente ou em quedas d'água onde o Spray natural cria condições ideais. Existe ainda o arco-íris refleto, que aparece quando a luz solar reflete numa superfície de água antes de atingir as gotas de chuva. A sequência de cores fica invertida em relação ao arco direto. Não é comum porque requer um espelhamento natural relativamente perfeito, como lagos calmos ou oceanos sem ondas. Na prática, a maior parte dos arcos refleto vistos em fotos são falsos, gerados por reflexos em vidraças ou janelas.

A saturação das cores também depende do tamanho das gotas. Gotas grandes, acima de dois milímetros, produzem cores vivas e bem definidas. Gotas pequenas, como em neblina, geram cores pastéis quase brancas porque a difração domina sobre a refração geométrica. Esse fenômeno se chama arco íris da neblina ou arco branco. A diferença prática é que em chuvas de verão com gotas grandes o espectro é intenso, enquanto em garoas finas de outono as cores são praticamente ausentes. Quem quer estudar isso com mais rigor precisa lidar com a distribuição de tamanho de gotas. A teoria de Mie calcula a intensidade espectral considerando gotas esféricas de raio conhecido. Para gotas maiores que cem comprimentos de onda, a aproximação geométrica funciona bem. Para gotas menores, os efeitos de difração e interferência alteram significativamente o padrão. Em medições reais com um espectrômetro simples, a largura espectral do vermelho aparece em torno de quarenta nanômetros, enquanto o violeta spanha cerca de trinta nanômetros. A sobreposição entre cores adjacentes é o que torna a transição suave no arco. Se a intenção for capturar imagens com boa resolução espectral, um teleobjetiva acima de duzentos milímetros ajuda a isolar o arco do fundo de nuvens. Exposições curtas, entre um sestavinhais e um trigésimo de segundo, evitam o motion blur causado pelo vento que move as gotas. O filtro polarizador rotativo melhora o contraste eliminando reflexos indesejados e escurecendo o céu azul, deixando o espectro mais visível. Sem polarizador, o céu azul de fundo compete com as cores fracas do arco em áreas externas.