Como se forma um Arco-íris?

O arco-íris é um dos espetáculos mais belos que a natureza tem a oferecer - tão bonito, na verdade, que já inspirou inúmeros contos de fada, músicas e lendas.

O processo fundamental para o funcionamento de um arco-íris é a refração- a "inclinação" da luz. A luz desvia - ou mais precisamente, muda de direção - quando viaja de um meio material para outro. Isto ocorre porque a luz viaja com velocidades diferentes em meios diferentes.

Arco íris em Diamantina, Serra dos Cristais ao fundo. Crédito: Danielle Piuzana

Para entender por que a luz se desvia de sua trajetória original, imagine que você está empurrando um carrinho de compras por um estacionamento. O estacionamento é um "meio material" para o carrinho de compras. Se você estiver exercendo uma força constante, a velocidade do carrinho depende do meio em que ele viaja - neste caso, a superfície pavimentada do estacionamento. O que acontece quando você empurra o carrinho de compras para fora do estacionamento, ou seja, para uma área gramada? A grama é um "meio" diferente para o carrinho de compras. Se você o empurra direto para a grama, ele simplesmente desacelera. O meio chamado grama oferece mais resistência, então, é preciso mais energia para mover o carrinho.

Mas, quando você empurra o carrinho sobre a grama em um ângulo, algo diferente acontece. Se a roda direita atinge a grama primeiro, ela desacelera enquanto a roda esquerda ainda está sobre o pavimento. Devido ao fato da roda esquerda estar por um breve momento se movendo mais rápido que a roda direita, o carrinho de compras virará para a direita enquanto se move sobre a grama. Se você movimentar o carrinho da área gramada para a área pavimentada, fazendo um certo ângulo, uma roda acelerará antes da outra e o carrinho sofrerá um desvio.

Igualmente, um feixe de luz sofre um desvio quando entra num prisma de vidro. Isto é uma simplificação, mas pense nisso desta forma: um lado da onda de luz desacelera antes do outro, então o feixe de luz desvia sua trajetória na divisa entre o ar e o vidro (parte da luz na verdade é refletida pela superfície do prisma, porém a maior parte atravessa). A luz sofre um novo desvio quando sai do prisma, porque um lado acelera antes do outro.

Além de desviar a luz como um todo, um prisma separa a luz branca em suas cores componentes. Cores diferentes de luz têm freqüênciasdiferentes, o que as faz viajar em diferentes velocidades quando se movem através da matéria.

Uma cor que viaja mais devagar no vidro sofrerá uma inclinação maior quando passar do ar para o vidro, porque a diferença de velocidade é mais severa. Uma cor que se move mais rapidamente no vidro não desacelerará tanto, então encurvará menos. Dessa forma, as cores que formam a luz branca são separadas de acordo com a freqüência quando elas atravessam o vidro. Se o vidro desviar a luz duas vezes, como em um prisma, você pode ver as cores separadas mais facilmente. Isso se chama dispersão.

Um prisma separa a luz branca em suas cores componentes. Para facilitar, este diagrama mostra apenas vermelho e violeta, que são as extremidades opostas do espectro de luz visível.

Gotas de chuva podem refratar e dispersar a luz na mesma forma básica que um prisma. Nas condições certas, esta refração forma o arco-íris. 

Fazendo um arco-íris

Uma gota de chuva individual tem formato e consistência diferentes de um prisma de vidro, mas ela afeta a luz de maneira similar. Quando a luz do sol branca bate num conjunto de gotas de chuva em um ângulo suficientemente pequeno, você pode ver as cores componentes vermelha, laranja, amarela, verde, azul, anil e violeta - um arco-íris. Para simplificar, olharemos apenas o vermelho e o violeta, as cores que estão nas extremidades do espectro de luz visível.

O diagrama abaixo mostra o que acontece quando a luz do sol bate numa gota de chuva individual.

Quando a luz branca passa do ar para a gota d'água, as cores componentes da luz desaceleram em diferentes velocidades, dependendo de suas freqüências. A luz violeta desvia-se num ângulo relativamente pronunciado quando entra na gota de chuva. No lado direito da gota (ver figura), parte da luz passa para o ar e o restante é refletido para trás. Parte da luz refletida passa para fora no lado esquerdo da gota desviando-se no ar novamente.

Desta forma, cada gota de chuva dispersa luz do sol branca em suas cores componentes. Então por que nós vemos faixas largas de cor, como se diferentes áreas de chuva estivessem dispersando uma única cor diferente? Porque nós apenas vemos uma cor proveniente de cada gota de chuva. Você pode ver como isso funciona no diagrama abaixo.

Quando a gota de chuva A dispersa a luz, apenas a luz vermelha sai no ângulo correto para viajar até os olhos do observador. Os outros feixes coloridos saem num ângulo mais baixo, assim o observador não os vê. A luz do sol atingirá todas as gotas de chuva ao redor da mesma forma, então elas vão arremeter luz vermelha ao observador.

A gota de chuva B está em uma posição muito mais baixa no céu, então ela não arremete luz vermelha ao observador. De sua altura, a luz violeta sai no ângulo correto para viajar até os olhos do observador. Todas as gotas que cercam a gota de chuva B arremetem luz da mesma forma. Todas as gotas de chuva entre A e B arremetem cores diferentes de luz ao observador, então ele vê todo o espectro de cores. Se você estivesse por cima da chuva, veria o arco-íris como um círculo completo, porque a luz arremeteria por toda sua volta. Do solo, nós vemos o arco do arco-íris, que é visível somente acima do horizonte.

Às vezes você vê um arco-íris duplo - um arco-íris vivo com um arco-íris mais fraco sobre ele. O arco-íris mais fraco é produzido da mesma maneira que o mais vivo, mas ao invés da luz refletir uma vez dentro da gota de chuva, refletirá duas vezes. Como resultado desta reflexão dupla, a luz sai da gota de chuva em um ângulo diferente, a qual enxergaremos mais acima. Se você olhar atentamente, verá que as cores do segundo arco-íris estão na ordem invertida do arco-íris primário.

Isso é tudo sobre arco-íris. Luz e água se combinam exatamente da maneira certa para pintar um lindo quadro natural.

Fonte: http://ciencia.hsw.uol.com.br