Arco-íris: formação, cores e tipos de arcos explicados

Fenómeno ótico das cores do arco-íris

O arco-íris é um fenómeno ótico e meteorológico que se manifesta por uma série de cores visíveis sob a forma de um arco no céu. Este fenómeno ocorre principalmente quando a luz branca do Sol se decompõe em sete cores (vermelho, laranja, amarelo, verde, azul, anil, violeta) ao atravessar gotas de água na atmosfera.

A natureza da luz branca e os seus comprimentos de onda

A natureza da luz branca emitida pelo Sol é na realidade uma mistura de todos os comprimentos de onda da luz visível. Cada cor corresponde a um comprimento de onda específico:

• Vermelho: aproximadamente 620-750 nm
• Laranja: aproximadamente 590-620 nm
• Amarelo: aproximadamente 570-590 nm
• Verde: aproximadamente 495-570 nm
• Azul: aproximadamente 450-495 nm
• Anil: aproximadamente 425-450 nm
• Violeta: aproximadamente 380-425 nm

Origem das sete cores segundo Newton

As sete cores do arco-íris foram popularizadas por Isaac Newton (1643-1727) no século XVII. Nas suas experiências com um prisma, observou que a luz branca se decompunha num espetro de cores. Embora este espetro seja contínuo e as transições entre as cores sejam suaves, Newton decidiu dividi-lo em sete partes distintas, inspirando-se em conceitos culturais e musicais, como as sete notas da escala musical.

Processos físicos envolvidos na formação do arco-íris

Refração inicial

Refração: Quando a luz branca (como a do Sol) entra numa gota de água, muda de direção, um fenómeno chamado refração. A luz desloca-se mais lentamente na água do que no ar, o que provoca uma mudança de velocidade e direção no interior da gota.

Dispersão das cores

Dispersão: A luz branca é constituída por vários comprimentos de onda, cada um correspondendo a uma cor diferente (vermelho, laranja, amarelo, verde, azul, anil, violeta). Ao entrar na gota de água, os diferentes comprimentos de onda são refratados em ângulos diferentes devido à sua diferente velocidade de propagação na água. Isto provoca uma separação das cores, um processo chamado dispersão.

Reflexão interna total

Reflexão interna total: Uma vez que a luz foi refratada e dispersada, atinge a superfície oposta da gota de água. Se o ângulo de incidência da luz for superior ao ângulo crítico, a luz será completamente refletida no interior da gota (reflexão interna total).

Segunda refração e intensificação do espetro

Segunda refração: Depois de ser refletida, a luz dirige-se novamente para a saída da gota de água, onde sofre uma segunda refração. Isto provoca uma nova separação das cores, intensificando o efeito de dispersão.

Condições necessárias para observar um arco-íris

Para que apareça um arco-íris, são necessárias gotas de água em suspensão na atmosfera, seja sob a forma de chuva, neblina ou nevoeiro. Também é indispensável que o Sol esteja baixo no horizonte, geralmente de manhã cedo ou ao fim da tarde, e que o observador se encontre entre o Sol e as gotas de água, com o Sol às suas costas.

No caso de um arco-íris primário, o ângulo de observação típico é de aproximadamente 42 graus em relação à direção oposta ao Sol. Por outras palavras, se traçarmos uma linha imaginária entre o Sol e o observador, o arco-íris forma-se a 42 graus acima desta linha.

N.B. : O ângulo de 42 graus é um valor médio que varia segundo o índice de refração da água e o comprimento de onda da luz. A luz vermelha, com o seu comprimento de onda mais longo, é ligeiramente mais desviada do que a luz violeta, o que explica por que o vermelho se encontra no exterior do arco.

Arcos luminosos

Tipos de arcos luminosos

• O arco-íris primário é o mais conhecido e brilhante. Apresenta um espetro de sete cores distintas — vermelho, laranja, amarelo, verde, azul, anil e violeta — com o vermelho no exterior e o violeta no interior do arco. É formado por uma única reflexão interna da luz no interior das gotas de água.
• O arco-íris secundário, mais raro e pálido, aparece acima do arco primário. É produzido por duas reflexões internas, o que inverte a ordem das cores: o violeta encontra-se no exterior e o vermelho no interior. A sua intensidade é aproximadamente metade da do arco primário.
• O arco de orvalho, menos comum, forma-se ao nível do solo quando a luz do Sol se reflete nas gotículas de orvalho depositadas na relva ou nas teias de aranha. Geralmente é muito pálido, até branco. O arco-íris lunar é produzido pela luz da Lua a atravessar gotas de água; é tão fraco que muitas vezes aparece branco a olho nu, embora as fotografias de longa exposição possam revelar as suas cores.
• O arco supernumerário é um fenómeno mais subtil, que se manifesta por camadas adicionais de cores pastel situadas mesmo no interior do arco primário. Resulta de efeitos de interferência entre as ondas luminosas e requer gotas de água de tamanho muito uniforme. O arco de nevoeiro forma-se num nevoeiro espesso composto por gotículas muito pequenas; aparece como um arco branco ou muito pouco colorido, muitas vezes largo e difuso.
• O arco vermelho ou arco monocromático é um fenómeno raro que ocorre quando o Sol está muito baixo no horizonte (no nascer ou pôr do sol). A luz atravessa então uma grande camada de atmosfera que dispersa os comprimentos de onda curtos (azul, verde), deixando apenas a cor vermelha. O arco aparece então completamente vermelho, oferecendo um espetáculo impressionante.
• O arco-íris monocromático forma-se com apenas uma cor, muitas vezes em condições específicas como os arcos luminosos que se podem observar à volta da Lua, chamados arco-íris lunares.

N.B. :
A visibilidade e intensidade destes diferentes arcos dependem de múltiplos fatores: o tamanho das gotas de água, o ângulo do Sol em relação ao horizonte, a pureza da atmosfera e a sensibilidade do observador. Os arcos secundários, supernumerários e monocromáticos são mais raros e requerem condições óticas particularmente favoráveis.

Tabela dos diferentes tipos de arcos luminosos

N.B. :
A intensidade e visibilidade dos arco-íris dependem do tamanho das gotas, do ângulo do Sol e da pureza da atmosfera. Os arcos secundários e supernumerários são mais raros e requerem condições óticas específicas.