Como se forma um arco-íris segundo a Física

Aprenda a formação do arco-íris sobre a ótica da Física.

O arco-íris é um belíssimo fenômeno ótico de decomposição da luz solar em seu espectro luminoso. O efeito desse evento multicolorido pode ser observado sempre que existirem gotículas de água suspensas no ar e a luz solar brilhando acima do observador. O arco é formado tendo o vermelho em uma de suas extremidades e o violeta na outra. Assim como qualquer decomposição da luz branca, o arco contém uma quantidade infinita de cores, sem delimitações entre elas. A necessidade humana, porém, de classificar os fenômenos naturais, a capacidade finita de distinção de cores pela visão humana e, claro, por questões didáticas, o arco-íris é conhecido culturalmente por 7 cores, na seguinte ordem: vermelho, alaranjado, amarelo, verde, azul, anil e violeta.

O que é arco-íris?

Fenômeno ótico de decomposição (ou dispersão) da luz solar (branca) em várias cores. O conhecimento cultural de que o arco-íris possui 7 cores provém de Isaac Newton. Ele admitiu ter visto apenas 5 e adicionou mais 2 apenas para fazer analogia com as 7 notas musicais. Para ajudar a lembrar a sequência das cores, podemos usar o recurso mnemônico: << V - A - A - V - A - A - V >>.

Formação e seu show de cores

A luz proveniente do Sol basicamente sofre algumas reflexões e refrações ao incidir sobre as gotículas de água suspensas no ar. Segue abaixo uma descrição simplificada de um modelo de formação do arco-íris, acompanhada de uma imagem.

  • O feixe luminoso solar incide sobre as gotículas de água.
  • Parte deste feixe reflete, voltando para o ar atmosférico. Outra parte, refrata, penetrando a gota de água [1].
  • O feixe dentro da gota, reflete parcialmente [2], e finalmente volta a sofrer refração parcial ao sair da gota [3].

Observação: NÃO há reflexão interna total. É um equívoco de muitas referências dizerem que há uma reflexão total dentro da gota de água [2]. Em qualquer ponto de incidência do feixe luminoso [1, 2 e 3], há reflexões e refrações parciais.

Outra coisa que podemos perceber é a refração da luz vermelha por um ângulo menor que a refração da luz violeta. Ao sair da gota, os feixes vermelhos são retornados por um ângulo de ≌ 42∘, em relação ao observador e os violetas por um de ≌ 40∘. Além disso, as reflexões parciais em [3] na figura acima são, por muitas vezes, imperceptíveis, pois são bem menos intensas que as reflexões parciais anteriores.

Resumidamente, para que observemos um arco-íris, devemos ter o Sol baixo e por trás de nós. A luz que vem do Sol é refratada, entrando nas gotas de água e lá dentro sofre reflexão interna e retorna chegando ao observador. Por essas razões, o arco-íris não existe realmente em um local do céu, mas é uma ilusão de ótica 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.

Será que o arco-íris é um arco?

Já entendemos as condições necessárias e suficientes para que consigamos enxergar um arco-íris. Para alguém que esteja posicionado sobre o chão, o arco-íris tem seu centro na direção de visada do observador com a região da sua sombra que corresponde aos seus olhos, aparecendo para o observador segundo um ângulo de cerca de 40∘ - 42∘. Desta forma, como o Sol se encontra acima do horizonte, o centro do arco está abaixo do horizonte, podendo se encontrar muito próximo do horizonte ao nascer e ao pôr do sol.

Na figura a seguir, podemos ver um arco-íris cujo centro se encontra abaixo do plano horizontal que que passa pela objetiva da câmara que o registra (na direção da sombra do fotógrafo). O Sol se encontra um pouco acima do horizonte, atrás do fotógrafo e, por isso, o centro do arco está abaixo do horizonte, na frente do fotógrafo.

Agora, caso um observador que tenha o Sol pelas suas costas e abaixo dele se encontre a cortina de gotas, como é o caso do paraquedista que fez a foto abaixo, poderá observar um arco-íris em forma de circunferência completa.

Um arco-íris duplo, triplo, ...

A ocorrência de arcos coloridos suplementares indicam a insuficiência explicativa dos modelos que se baseiam exclusivamente na ótica geométrica, na refração e reflexão da luz. Nas figuras abaixo notam-se arcos coloridos suplementares além daqueles contidos no arco-íris principal mais externo.

A ocorrência de arcos suplementares decorre dos fenômenos da difração e interferência da luz que emerge das gotas de água. A conhecida teoria de Descartes para os arco-íris, na qual apenas as leis da refração e reflexão da luz participam, implica na inexistência dos arcos suplementares (Minnaert, M. The nature of light and colour in the open air. New York: Dover, 1954). Os arcos suplementares, bem como outros desvios da teoria de Descartes (aparecimento de faixas brancas por exemplo), estão relacionados com o tamanho das gotículas de água que, sendo muito pequenas, propiciam os efeitos de difração e de interferência.
Continue estudando
artigo
Post do blog

Mapa Mental: Refração da Luz

Dúvidas sobre Refração da Luz? Não esquenta! Com este mapa mental, você aprende tudo e ainda garante uma nota 10 na prova! 🙂
artigo
Post do blog

Refração da Luz: tudo que você precisa saber para tirar onda na prova!

Refração pode ser muito fácil! Confira!