Por que o arco-íris aparece?

Por que o arco-íris aparece? Ele surge quando a luz do Sol atravessa gotas de água suspensas no ar e volta para os olhos de quem observa.

Nesse caminho, a luz se separa nas cores que formam a luz branca. Segundo o guia de divulgação científica do Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica, para ver o arco-íris é preciso que o Sol esteja atrás do observador e que existam gotas de água à sua frente.

Quem vê o arco-íris, portanto, está sempre com o Sol atrás de si e com a chuva ou a névoa à sua frente. Segundo o guia da Harvard, até um jato fino de água de mangueira, em um dia de sol, pode produzir o mesmo efeito.

Explicado de forma simples

Pense em um prisma de vidro. Quando a luz branca passa por ele, as cores se separam em um leque. A gota de chuva funciona de forma parecida: é uma pequena esfera de água que faz a luz se espalhar em cores e devolvê-la em outra direção.

A diferença é que, em vez de sair do outro lado do prisma, a luz da gota volta na direção de onde veio, mas deslocada em um ângulo específico.

A luz é uma onda com cor

Segundo o guia da Harvard, a luz é uma forma de energia eletromagnética que se comporta como uma onda. Cada cor corresponde a um comprimento de onda: o azul tem comprimento de onda menor que o vermelho.

A luz do Sol contém todas as cores, e, quando elas se combinam, aparecem como branca. O olho humano enxerga comprimentos de onda de cerca de 390 a 750 nanômetros.

O que acontece dentro da gota

Segundo o guia da Harvard, a luz muda de direção ao passar do ar para a água, porque viaja mais devagar dentro dela. Esse efeito se chama refração.

Ao mesmo tempo, as cores se separam, porque cada comprimento de onda muda de direção em um grau diferente. Esse fenômeno se chama dispersão.

Depois de entrar na gota, a luz sofre uma reflexão interna, ou seja, bate na parte de trás da gota e volta. Ao sair, ela passa por uma nova dispersão, e as cores se espalham ainda mais.

Por que o ângulo é de 42 graus

Segundo o guia da Harvard, a luz que sai da gota depois de uma reflexão é desviada em cerca de 318 graus, o que equivale a um ângulo de 42 graus em relação à direção do Sol.

Por isso, o arco-íris aparece sempre nesse ângulo em relação ao ponto oposto ao Sol.

Segundo Robert Greenler, físico da Universidade de Wisconsin-Milwaukee, a concentração de raios que voltam de forma mais intensa aparece nesse ângulo. Ao traçar um grande número de raios paralelos que atingem uma gota, verifica-se que eles se concentram a 42 graus do ângulo de entrada.

Greenler também explica por que a forma do arco-íris é curva. Os raios voltam em um ângulo fixo em torno do ponto oposto ao Sol. Como todas as direções a 42 graus desse ponto formam um círculo, o arco-íris é uma parte desse círculo.

O arco-íris com a sombra

Segundo o guia da Harvard, a linha que vai da própria sombra até os olhos do observador marca a direção oposta ao Sol. O arco-íris aparece cerca de 42 graus acima dessa linha.

Essa é a razão de o arco-íris parecer sempre “fugir” quando a pessoa tenta se aproximar. Ele está ligado à posição do observador e à do Sol.

Por que as cores aparecem em uma ordem

Segundo o guia da Harvard, o azul é desviado mais do que o vermelho.

Por isso, a luz azul volta de uma direção mais baixa no céu, e a vermelha, de uma direção mais alta. A ordem das cores é, de cima para baixo, vermelho, laranja, amarelo, verde, azul, anil e violeta.

O arco-íris duplo

Segundo o guia da Harvard, às vezes aparece um segundo arco, mais fraco, acima do primeiro. Ele se forma quando a luz sofre duas reflexões dentro da gota, antes de sair. As cores desse segundo arco aparecem invertidas em relação ao primeiro.

Esse arco é mais difícil de ver porque, quando a luz chega a esse ponto da gota, a maior parte já saiu dela.

Demonstrações em casa

Segundo o guia da Harvard, é possível criar um arco-íris no quintal. Basta uma mangueira com bico que produza névoa fina em um dia de sol. A pessoa deve ficar entre o Sol e a névoa e olhar na direção oposta ao Sol.

O guia também explica que, quando o Sol está muito alto, as gotas necessárias para devolver a luz aos olhos do observador ficariam no chão.

Outros arcos e halos

Segundo o guia da Harvard, o arco-íris não depende da cor visível da luz. A radiação infravermelha também forma um arco-íris, mas os olhos humanos não a percebem. Câmeras sensíveis ao infravermelho já fotografaram esse efeito.

Também existem fenômenos semelhantes causados por cristais de gelo, que não são esféricos.

Os “parélios”, ou cães solares, são arcos coloridos a cerca de 22 graus do Sol, em dias frios e ensolarados. Os cristais também podem formar um halo ao redor do Sol, mas o brilho solar costuma impedir sua observação.

Mitos sobre o arco-íris

“O arco-íris só aparece depois da chuva.” Mito. Segundo o guia da Harvard, ele também pode aparecer durante a chuva, em névoas e em jatos de água, como o de uma mangueira.

“Todas as pessoas veem o mesmo arco-íris.” Mito. Segundo o guia da Harvard, cada pessoa vê o seu próprio arco-íris, formado por gotas diferentes das que formam o arco visto por outra pessoa no mesmo lugar.

“É possível chegar ao pé do arco-íris.” Mito. Como cada observador vê um arco formado por outras gotas, não existe um ponto fixo para alcançá-lo.

Perguntas frequentes

Por que o arco-íris não aparece ao meio-dia?

Segundo o guia da Harvard, quando o Sol está alto no céu, as gotas necessárias para devolver a luz aos olhos do observador ficariam no chão. Por isso, o arco-íris depende de o Sol estar relativamente baixo.

O arco-íris é uma coisa de verdade?

Segundo o guia da Harvard, cada pessoa vê o seu próprio arco-íris, porque as gotas que o formam dependem da posição de quem observa. Não existe um objeto fixo no céu.

Resumindo

• O arco-íris é formado pela refração, pela dispersão e pela reflexão interna da luz do Sol dentro das gotas de água.

• A luz volta a um ângulo de cerca de 42 graus em relação ao ponto oposto ao Sol, e por isso o arco é curvo.

• O azul é desviado mais que o vermelho, e por isso as cores aparecem em ordem.

• O arco-íris duplo tem as cores invertidas e resulta de duas reflexões na gota.

• Cada observador vê seu próprio arco-íris, formado por outras gotas.

Veja também como funciona a eletricidade e como funciona um raio, outros fenômenos da natureza explicados de forma simples.

Fontes

• Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (Chandra), Somewhere Over the Rainbow, guia do facilitador, série Stop for Science: https://chandra.cfa.harvard.edu/edu/stop/rainbow_guide.pdf

• Scientific American, Why are rainbows curved? (resposta de Robert Greenler, Universidade de Wisconsin-Milwaukee): https://www.scientificamerican.com/article/why-are-rainbows-curved-i