Leia também: Porque é que o céu fica vermelho ao pôr do sol? ↗
Leia também: De que são feitas as nuvens e porque têm formas diferentes? ↗
O arco-íris resulta de luz, gotas e um observador
Um arco-íris forma-se quando a luz atravessa gotas de água, muda de direção e regressa aos olhos de um observador com as cores parcialmente separadas. No caso mais habitual, a fonte é o Sol, que fica atrás de quem observa, enquanto as gotas se encontram à frente. Não é uma faixa colorida pintada numa nuvem nem um objeto suspenso num lugar fixo.
A posição de quem olha faz parte do fenómeno. Pode haver água e Sol sem existir um arco-íris visível daquele ponto. As gotas precisam de receber luz e enviá-la na direção certa para os olhos. Por isso, uma abertura entre nuvens pode revelar subitamente um arco sobre uma paisagem que, minutos antes, parecia apenas chuvosa.
A luz branca já contém as cores que vemos
A luz solar reúne uma distribuição de comprimentos de onda visíveis que, em conjunto, percebemos como aproximadamente branca. As cores do arco-íris não são fabricadas pela água como se esta contivesse tintas. A água permite separar direções de propagação de componentes que já estavam presentes na luz incidente.
Comprimento de onda é uma forma de descrever a luz: no visível, o vermelho corresponde a comprimentos maiores e o violeta a menores. Ao atravessar a gota, essas componentes não sofrem exatamente o mesmo desvio. A comparação com um prisma ajuda a perceber a separação, mas uma gota tem uma forma e um percurso interno próprios. Um arco-íris exige também a reflexão dentro da água e a geometria entre fonte, gotas e observador.
Refração, reflexão e dispersão: três ideias diferentes
Ao entrar na água a partir do ar, a luz muda de velocidade e de direção: é a refração. Parte da luz atinge a superfície interior da gota e é refletida. Ao sair novamente para o ar, sofre outra refração. O caminho que origina o arco principal inclui uma reflexão interna entre a entrada e a saída.
A dispersão é a diferença de desvio entre os vários comprimentos de onda. Assim, refração explica uma mudança de trajetória, reflexão descreve o retorno de parte da luz e dispersão ajuda a explicar a separação das cores. São aspetos relacionados, mas não sinónimos. Também nem toda a luz que chega à gota segue o percurso do arco-íris: parte é transmitida noutras direções e parte é refletida logo na superfície exterior.
Cada gota não desenha sozinha o arco inteiro
Numa chuva existem muitas gotas em posições diferentes. A luz que chega aos seus olhos com determinado tom vem das gotas que, naquele instante, se encontram na direção adequada para esse tom. O conjunto produz uma faixa contínua. Uma única gota pode enviar componentes para direções diferentes, mas não projeta um pequeno arco completo em cada ponto do céu.
Imagine uma cortina de água: várias gotas contribuem em simultâneo para partes distintas da imagem. À medida que caem, são substituídas por outras capazes de enviar luz pela mesma direção. O arco pode parecer estável embora a água esteja sempre em movimento. Esta distinção entre o movimento das gotas e o padrão luminoso ajuda a perceber por que o arco não cai junto com a chuva.
Porque aparece um arco com cerca de 42 graus
O arco principal tem um raio angular de aproximadamente 42 graus para a sua borda vermelha, medido a partir da direção oposta ao Sol. Os restantes tons aparecem em ângulos um pouco diferentes, com o violeta mais para dentro. O valor descreve um ângulo de observação, não uma distância em metros até uma parede de cores.
Pense no ponto para onde a sua sombra se dirige: é a região oposta ao Sol. À sua volta, as direções capazes de trazer a luz do arco formam um cone cujo vértice está no observador. A interseção visual dessas direções cria o círculo. O tamanho aparente mantém uma relação geométrica com a luz, embora as gotas possam estar perto, num pulverizador, ou longe, numa chuvada.
Porque o Sol costuma ficar atrás de quem observa
Para o arco principal habitual, procure água iluminada na direção contrária ao Sol. Não basta olhar para uma nuvem cinzenta: a luz precisa de alcançar as gotas que ocupam o lugar adequado. Uma chuvada à frente e um céu aberto atrás podem criar boas condições. Por outro lado, o Sol escondido pode retirar rapidamente a iluminação necessária.
Quando o Sol está baixo, é mais fácil observar um arco elevado sobre o horizonte. Com o Sol mais alto, uma maior parte do círculo fica abaixo da linha de visão habitual ao nível do chão. Isto explica a frequência de arcos vistosos de manhã ou ao fim da tarde, sem transformar uma hora do relógio numa regra absoluta: relevo, altura do observador e distribuição da água também contam.
O arco-íris completo é um círculo
O nome sugere um arco porque, a partir do chão, vemos geralmente apenas parte da figura. A paisagem e a ausência de gotas nas direções inferiores limitam o que fica visível. A geometria, porém, corresponde a um círculo em torno do ponto oposto ao Sol. Num ponto elevado, com água nas direções necessárias, uma porção maior pode aparecer.
A NASA apresenta fotografias de arcos circulares completos obtidos a partir do ar. Não é preciso imaginar outro tipo de arco-íris ou acrescentar uma metade diferente: o fenómeno é o mesmo, visto com condições de observação mais favoráveis. Nem todas as viagens de avião revelam um círculo, pois também é necessário combinar luz, gotas e direção. Estar alto oferece uma possibilidade, não uma garantia.
Porque o arco-íris duplo tem as cores invertidas
Num arco-íris duplo, o segundo arco mais habitual surge por fora do principal e costuma ser mais fraco. A luz responsável por ele sofre duas reflexões dentro das gotas em vez de apenas uma. Sai por outra direção, produzindo um arco de maior raio angular e com a ordem das cores invertida.
No arco principal, o vermelho fica na borda exterior e o violeta na interior. No secundário, a disposição troca-se. Não se trata simplesmente de um reflexo do primeiro arco numa nuvem: existem percursos de luz diferentes dentro das gotas. A região entre ambos pode parecer mais escura, conhecida como banda de Alexandre. A sua intensidade depende das condições e do contraste, pelo que não é obrigatório vê-la com nitidez em todos os casos.
São mesmo sete cores separadas?
Vermelho, laranja, amarelo, verde, azul, anil e violeta constituem a sequência tradicional de sete cores. É uma maneira prática de nomear e memorizar a ordem. Contudo, a passagem entre tons é contínua: não existem sete compartimentos com fronteiras físicas rígidas, nem uma mudança súbita do verde para o azul como num desenho de faixas pintadas.
O Met Office recorda que Newton popularizou a divisão em sete. Diferentes línguas, hábitos visuais e condições de observação podem favorecer outras formas de agrupar os tons. Isso não altera a física. Se não conseguir distinguir o anil, não significa que tenha aparecido um arco incompleto. Luminosidade, contraste, tamanho das gotas e sensibilidade dos olhos influenciam a separação aparente entre regiões da faixa colorida.
Porque não conseguimos chegar ao fim do arco-íris
O arco-íris não tem uma extremidade pousada no campo ou atrás de uma casa. O que parece um ponto de chegada é uma direção de observação que se cruza, na imagem, com a paisagem. Ao mudar de posição, muda também o conjunto de gotas capaz de enviar luz até si com os ângulos necessários.
É por isso que caminhar em direção ao arco não equivale a aproximar-se de uma ponte. Duas pessoas separadas podem apontar para uma figura muito semelhante, mas cada uma recebe luz segundo a sua própria geometria. Num arco distante, a diferença pode ser pouco evidente. Numa pequena névoa de água, perto dos olhos, torna-se mais fácil notar como o padrão acompanha alterações da posição e da direção do olhar.
Porque o arco pode ficar pálido ou desaparecer
Um arco forte exige que haja luz suficiente, gotas nas direções adequadas e contraste para distinguir a faixa. Quando uma nuvem tapa o Sol, quando a chuvada se desloca ou quando o observador muda de lugar, uma dessas condições pode falhar. O arco desaparece sem que a água tenha necessariamente deixado de existir.
O tamanho das gotas também influencia a apresentação. Em gotículas muito pequenas, como no nevoeiro, os efeitos de difração tornam as cores menos distintas e podem produzir um arco esbranquiçado, chamado arco de nevoeiro. Este caso ajuda a perceber por que os fenómenos óticos não têm todos o aspeto saturado dos desenhos. Uma fotografia pode ainda mostrar tons diferentes da visão direta devido à exposição, ao processamento e ao contraste do fundo.
Uma forma simples e segura de observar a geometria
Num dia de Sol, uma névoa fina de água de rega pode produzir um pequeno arco quando a iluminação e a posição forem adequadas. Mantenha o Sol atrás de si e observe a água à frente, deslocando-se devagar para ver a figura surgir ou desaparecer. Não é necessário dirigir o olhar para o Sol, usar lentes ou criar um jato intenso.
Escolha um piso seguro e evite molhar equipamentos elétricos ou desperdiçar água. Durante uma trovoada, não permaneça no exterior à procura de um arco. A experiência permite relacionar a observação com três perguntas: onde está a fonte de luz, onde estão as gotas e onde está o observador? A resposta explica as cores e a forma com mais clareza do que imaginar um objeto colorido colocado no céu.
Perguntas frequentes
O que é necessário para aparecer um arco-íris?
Uma fonte de luz, normalmente o Sol, gotas de água iluminadas e um observador na posição adequada. No arco principal habitual, o Sol fica atrás de quem olha e a água à frente.
Porque as cores aparecem sempre naquela ordem?
Os diferentes comprimentos de onda não são desviados exatamente da mesma forma. No arco principal, a geometria coloca o vermelho na borda exterior e o violeta na interior.
O arco-íris tem exatamente sete cores?
A faixa é contínua e contém muitos tons. A sequência de sete cores é uma divisão tradicional útil para memorizar, não sete compartimentos físicos separados.
Porque o segundo arco tem as cores ao contrário?
O arco secundário envolve duas reflexões internas nas gotas, em vez de uma. A luz sai por outra direção e a disposição das cores fica invertida.
É possível ver um arco-íris redondo?
Sim. A geometria é circular; do chão costuma ver-se apenas uma parte. Um ponto elevado pode permitir observar o círculo completo se houver luz e gotas nas direções necessárias.
Consigo chegar ao fim do arco-íris?
Não existe uma extremidade física pousada no terreno. Ao deslocar-se, muda a geometria e as gotas que enviam luz até aos seus olhos.
Porque aparece mais facilmente com o Sol baixo?
Com o Sol baixo, uma maior parte do círculo principal fica visível acima do horizonte habitual. A altura de quem observa e a distribuição das gotas também influenciam o resultado.
É preciso chover exatamente onde estou?
Não. É preciso haver gotas iluminadas na direção que observa. Pode estar num local seco e ver um arco produzido pela chuva mais adiante, ou observar um pequeno arco numa névoa de água.
