Arcoíris: formación, colores y tipos de arcos explicados

Fenómeno óptico de los colores del arcoíris

El arcoíris es un fenómeno óptico y meteorológico que se manifiesta como una serie de colores visibles en forma de arco en el cielo. Este fenómeno se produce principalmente cuando la luz blanca del Sol se descompone en siete colores (rojo, naranja, amarillo, verde, azul, añil, violeta) al atravesar las gotas de agua en la atmósfera.

La naturaleza de la luz blanca y sus longitudes de onda

La naturaleza de la luz blanca emitida por el Sol es en realidad una mezcla de todas las longitudes de onda de la luz visible. Cada color corresponde a una longitud de onda específica:

• Rojo: aproximadamente 620-750 nm
• Naranja: aproximadamente 590-620 nm
• Amarillo: aproximadamente 570-590 nm
• Verde: aproximadamente 495-570 nm
• Azul: aproximadamente 450-495 nm
• Añil: aproximadamente 425-450 nm
• Violeta: aproximadamente 380-425 nm

Origen de los siete colores según Newton

Los siete colores del arcoíris fueron popularizados por Isaac Newton (1643-1727) en el siglo XVII. En sus experimentos con un prisma, observó que la luz blanca se descomponía en un espectro de colores. Aunque este espectro es continuo y las transiciones entre colores son fluidas, Newton decidió dividirlo en siete partes distintas, inspirándose en conceptos culturales y musicales, como las siete notas de la escala musical.

Procesos físicos involucrados en la formación del arcoíris

Refracción inicial

Refracción: Cuando la luz blanca (como la del Sol) entra en una gota de agua, cambia de dirección, un fenómeno llamado refracción. La luz se desplaza más lentamente en el agua que en el aire, lo que provoca un cambio de velocidad y dirección en el interior de la gota.

Dispersión de los colores

Dispersión: La luz blanca está formada por varias longitudes de onda, cada una correspondiente a un color diferente (rojo, naranja, amarillo, verde, azul, añil, violeta). Al entrar en la gota de agua, las diferentes longitudes de onda se refractan en ángulos distintos debido a su diferente velocidad de propagación en el agua. Esto provoca una separación de los colores, un proceso llamado dispersión.

Reflexión interna total

Reflexión interna total: Una vez que la luz ha sido refractada y dispersada, alcanza la superficie opuesta de la gota de agua. Si el ángulo de incidencia de la luz es mayor que el ángulo crítico, la luz se reflejará completamente en el interior de la gota (reflexión interna total).

Segunda refracción e intensificación del espectro

Segunda refracción: Después de ser reflejada, la luz se dirige nuevamente hacia la salida de la gota de agua, donde sufre una segunda refracción. Esto provoca una nueva separación de los colores, intensificando el efecto de dispersión.

Condiciones necesarias para observar un arcoíris

Para que aparezca un arcoíris, se necesitan gotas de agua en suspensión en la atmósfera, ya sea en forma de lluvia, niebla o bruma. También es imprescindible que el Sol esté bajo en el horizonte, generalmente temprano por la mañana o al atardecer, y que el observador se encuentre entre el Sol y las gotas de agua, con el Sol a sus espaldas.

En el caso de un arcoíris primario, el ángulo de observación típico es de aproximadamente 42 grados con respecto a la dirección opuesta al Sol. En otras palabras, si se traza una línea imaginaria entre el Sol y el observador, el arcoíris se forma a 42 grados por encima de esta línea.

N.B. : El ángulo de 42 grados es un valor medio que varía según el índice de refracción del agua y la longitud de onda de la luz. La luz roja, con su longitud de onda más larga, se desvía ligeramente más que la luz violeta, lo que explica por qué el rojo se encuentra en el exterior del arco.

Arcos luminosos

Tipos de arcos luminosos

• El arcoíris primario es el más conocido y brillante. Presenta un espectro de siete colores distintos — rojo, naranja, amarillo, verde, azul, añil y violeta — con el rojo en el exterior y el violeta en el interior del arco. Se forma por una única reflexión interna de la luz en el interior de las gotas de agua.
• El arcoíris secundario, más raro y pálido, aparece por encima del arco primario. Se produce por dos reflexiones internas, lo que invierte el orden de los colores: el violeta se encuentra en el exterior y el rojo en el interior. Su intensidad es aproximadamente la mitad que la del arco primario.
• El arco de rocío, menos común, se forma a nivel del suelo cuando la luz del Sol se refleja en las gotitas de rocío depositadas sobre la hierba o las telarañas. Suele ser muy pálido, incluso blanco. El arcoíris lunar se produce por la luz de la Luna atravesando gotas de agua; es tan débil que a menudo aparece blanco a simple vista, aunque las fotografías de larga exposición pueden revelar sus colores.
• El arco supernumerario es un fenómeno más sutil, que se manifiesta como capas adicionales de colores pastel situadas justo en el interior del arco primario. Resulta de efectos de interferencia entre las ondas luminosas y requiere gotas de agua de tamaño muy uniforme. El arco de niebla se forma en una niebla espesa compuesta por gotitas muy pequeñas; aparece como un arco blanco o muy poco coloreado, a menudo ancho y difuso.
• El arco rojo o arco monocromo es un fenómeno raro que se produce cuando el Sol está muy bajo en el horizonte (en el amanecer o el atardecer). La luz atraviesa entonces una gran capa de atmósfera que dispersa las longitudes de onda cortas (azul, verde), dejando solo el color rojo. El arco aparece entonces completamente rojo, ofreciendo un espectáculo impactante.
• El arcoíris monocromo se forma con un solo color, a menudo en condiciones específicas como los arcos luminosos que se pueden observar alrededor de la Luna, llamados arcoíris lunares.

N.B. :
La visibilidad e intensidad de estos diferentes arcos dependen de múltiples factores: el tamaño de las gotas de agua, el ángulo del Sol con respecto al horizonte, la pureza de la atmósfera y la sensibilidad del observador. Los arcos secundarios, supernumerarios y monocromos son más raros y requieren condiciones ópticas particularmente favorables.

Tabla de los diferentes tipos de arcos luminosos

N.B. :
La intensidad y visibilidad de los arcoíris dependen del tamaño de las gotas, del ángulo del Sol y de la pureza de la atmósfera. Los arcos secundarios y supernumerarios son más raros y requieren condiciones ópticas específicas.