O Arco-Íris – A teoria. Parte 1.

Caros leitores,

Ontem, dia 24/12/2017, após uma “chuva de verão” na cidade do Rio de Janeiro, aconteceu um fenômeno óptico que foi o arco-íris, fenômeno esse de rara beleza que encanta quem o observa, que faz parte de vários mitos de várias mitologias antigas.

Existem muitas lendas que se referem ao arco-íris, cuja maioria pertence ao reino do imaginário, fruto do folclore popular ou da criatividade poética e artística. Antigamente, e até hoje em dia, há quem pense, porém, que este fenômeno ótico é um sinal divino, como o mito do dilúvio universal, na qual a bíblia judaico-cristã o descreve como um acordo com a humanidade feito por Deus, que nunca voltaria a repetir-se essa catástrofe na terra e, para isso, surgiria no céu algo simbolizando a conciliação, o arco-íris.(Isso será tratado em um post em particular.)

Índios americanos, acreditavam que o arco-íris, eram os espíritos das flores silvestres nascidas nas florestas ou dos lírios do vale, como não lembrar do mito do pote de ouro no final do arco-íris?

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Na mitologia pagã Europeia, diversas culturas tinha o arco-íris como mitos em suas lendas, como por exemplo temos os gregos que observavam o fenômeno como um arco colorido unindo o céu a terra, quebrando a monotonia do horizonte, acreditando estar recebendo um sinal positivo dos deuses. Para eles, esse fenômeno estava diretamente relacionado a deusa Íris, mensageira da deusa Juno, esposa de Zeus, que surgia no céu caminhando por um arco formado por sete cores.

A maioria das culturas antigas Europeias, contavam as lendas de que o arco-íris era uma ponte entre o céu e a Terra, ou seja, uma ponte entre o nosso mundo e o mundo dos deuses.

Um dos mitos mais interessantes que perdura até hoje na cultura popular, são as cores que representam paz, riqueza, esperança etc. Na antiga cultura cigana, conta-se que uma cigana grávida, cansada de fugir e chorar com as intermináveis perdas de parentes e amigos, ao ver o arco-íris, clamou salvação para seu povo com toda a força de sua alma. Prostrada, a mulher chorava copiosamente, esperando receber uma resposta do arco-ires, assim percebeu que as cores do fenômeno começavam a brilhar cada vez mais intensamente, alternando-se com rapidez. Limpando as lágrimas dos seus olhos e imaginando ver fantasias devido ao pranto, reagiu, mas foi vencida pelas cores do arco-íris que se alternavam como se fossem as cordas de um instrumento musical, como pequenos sinos emitindo sons divinos. Subitamente, ouviu uma voz emanada das cores do arco-íris pedindo calma e garantindo que a mulher não perderia o filho guardado como um tesouro em seu ventre:
– Ele fará com que minhas cores ganhem vida em suas mãos, suprindo eternamente todas as suas gerações com moedas de ouro, pois a ele será dado o pote encantado que trago em minhas cores, cuja magia passará a fazer parte de suas almas com o verde levará a esperança e a fartura; com o vermelho, a vida, o entusiasmo e o vigor; com o amarelo, a realeza e a riqueza; com o azul terá serenidade e intuição; com o laranja, a energia, a vitalidade e a emotividade; e com o violeta levará a transmutação e a perseverança; com o rosa, o amor, a beleza, a moralidade e a música.

Nascia assim, dois mitos, que no final do arco-íris existe um pote de ouro para suprir-los e também que as cores transmitiam uma magia que poderiam trazer riquezas, paz, esperança etc. Assim, hoje em dia persiste a superstição de que colocar uma roupa com cores, colocar fitas com todas as cores e passar a virada do ano irá lhe trazer paz, saúde, riqueza, prosperidade, amor etc, ou seja, esse mito veio da mitologia cigana, com o clamor de uma mulher desesperada a um arco-íris.

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Alguns exemplos do mito das cores.

Mas, como visto, o arco-íris é uma ponte entre o três culturas: poetas, religiosos e cientistas. A descrição científica é muitas vezes vista como um problema simples
em óptica geométrica, um problema que foi resolvido há muito tempo e isso tem interesse hoje, apenas como um exercício histórico.

Não é assim! A óptica geométrica não explica muitos dos fenômenos que acontecem em um arco-íris, de forma satisfatória. A teoria do arco-íris foi desenvolvida apenas nos últimos anos. Além disso, essa teoria envolve muito mais do que a óptica geométrica.
Nós conhecemos a natureza da luz. Abono deve ser feita para propriedades ondulatórias como interferência, difração e polarização, e para propriedades semelhantes a partículas, como o impulso realizado por um feixe de luz.

Algumas das mais poderosas ferramentas da física matemática foram criadas  explicitamente para lidar com o problema do arco-íris e com problemas intimamente relacionados. Na verdade, o arco-íris serviu como uma pedra de toque para testar teorias de óptica.
Com essas teorias agora é possível descrever o o arco-íris matematicamente, isto é, prever a distribuição da luz no céu. Os mesmos métodos também podem ser aplicados a fenômenos relacionados, como o brilhante anel de cor chamado glória, e mesmo para outros tipos de arco-íris, como atômicos e nucleares.

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Glória

Nessa postagem, será dirigida a uma forma inicial de se explicar o processo e tirar algumas dúvidas e mitos sobre o arco-íris, na qual terá uma segunda postagem, a fim de descrever o processo de forma mais científica.

O arco-íris é na verdade a luz do sol alargada pelo espectro de cores, desviadas para o olho do observador por gotículas de água, mais especificamente, gotinhas de chuva. O Arco que aparece é apenas metade do círculo que tem um centro comum, mas não é todo visível.

A grande maioria das pessoas não notam algumas peculiaridades sobre o fenômeno, pois uma delas é que a chuva está entre o observador e o arco-íris, pois ela é a causadora da refração.

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Renée Descartes já tinha feito a sensacional experiência de decomposição do luz branca do sol, através do prisma, decompondo em sete cores.

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Isaac Newton foi o primeiro a demonstrar que a luz branca era composta do espectro de luz de todas as cores do arco-íris. Com um prisma de vidro, ele decompôs a luz branca no espectro completo de cores e, com outro, recombinou o feixe de luz em luz branca.

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Também demonstrou que a luz vermelha é refratada menos que a azul, o que levou a uma completa explicação, para a época, do efeito óptico do arco-íris.

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A gota de chuva, age como um prisma decompondo a luz solar.

Outra curiosidade na qual a grande maioria nunca se dá conta, é que no fenômeno do arco-íris, a posição relativa do Sol está sempre atrás do observador e e que o centro do arco circular está na direção oposta do Sol, assim não é em qualquer chuva que se há formação de um arco-íris.

Muitas vezes, as pessoas já perguntaram se o arco-íris está distante ou perto e viram também a sua intensidade variar com o deslocamento no sentido do fenômeno, essas perguntas são facilmente respondidas, pois a distância entre o fenômeno e o observador, depende da distância das gotículas de água.

O arco-íris não existe realmente como um local do céu, mas é uma ilusão de óptica, cuja posição aparente depende da posição do observador. Todas as gotas de chuva refratam e refletem a luz do Sol da mesma forma, mas somente a luz de algumas delas chega até os olhos do observador, por esse motivo ele pode ser visto de várias localidades geográficas diferentes, desde que a luz chegue nas condições para que o observador a possa enxergar.

Algumas vezes, um segundo arco-íris mais fraco é visto fora do arco-íris principal, e ele é devido a uma dupla reflexão da luz do Sol nas gotas de chuva.

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A luz das diferentes cores são refratadas de maneira diferentes, quando passam de um meio para outro. Assim, o raio de luz refratado quando atravessa regiões de diferentes densidades, como o ar e a água, ele é “curvado”. Quando um raio de luz atravessa uma gota de chuva é desviado para a luz vermelha e violeta.

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Verifica-se que o ângulo de desvio é diferente para as duas cores porque a luz violeta é refratada mais que a luz vermelha (Será explicado o porque na parte 2), Assim, quando vemos o Arco-íris e sua banda de cores nós estamos olhando a luz refratada e refletida de diferentes gotas de chuva, algumas vistas em um ângulo de 42 graus, algumas a um ângulo de 40­ graus, e algumas entre ambos.

Muitas vezes os raios de luz, além de refletir e refratar uma única vez – dando origem ao Arco-íris primário, reflete e refrata mais vezes, saindo das gotículas de chuva em diferentes ângulos de 50 ou 53 graus, dando origem a um segundo arco-íris, com cores mais fracas. É comum que este arco-íris secundário tenha as cores ao contrário do primário.

Devido à reflexão extra, as cores do arco são invertidas quando comparadas com o arco-íris principal, com o azul no lado externo e o vermelho no interno. Esse outro arco chama-se arco-íris secundário.

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Algumas pessoas já afirmaram ter visto até três arco-íris no céu de uma vez. Mas os relatórios científicos desse fenômeno eram tão raros, apenas cinco foram registrados em 250 anos, mas isso mudou com o aprimoramento das câmeras.

Desde então, os pesquisadores Michael Grossman e Michael Theusner têm tirado fotos de arco-íris terciários e quaternários. No dia que Grossman fotografou o arco-íris terciário, ele primeiro lembra de ter visto um arco-íris secundário. Quando a chuva se intensificou, ele sabia que tinha que virar para o Sol.

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 A olho nu é muito difícil de dizer que é visível, assim como o arco completo, pois requer um ângulo de visão de 84°. Para uma câmera de 35 mm, uma lente com foco de 19 mm ou menos é necessária, entretanto a maioria das câmeras têm lentes acima de 28 mm.

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Foto de Vanessa Mothe.

A intensidade e “definição” das cores do arco-íris depende do tamanho das gotas de chuva, pois as gotas grandes, de diâmetro de poucos milímetros dão origem a cores brilhantes e bem definidas, já as gotas pequenas com diâmetro aproximadamente de 0,001 mm, produzem cores superpostas e perto do branco.

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Foto tirada por Luis Claudio Vitório – Mostra a diferença de definição das cores do arco-íris.

Considerando que as gotas são sempre esféricas, o que nem sempre acontece, pois nunca há um simples e mesmo tamanho das gotas, mas uma mistura de diferentes tamanhos e formatos, dependendo dos ventos, da resistência do ar ao cair ou do choque com outras gotas, resultando daí um arco-íris composto.

Outra curiosidade ao observar o fenômeno com um óculos escuro (óculos de Sol), é que a observação do fenômeno, pode ser alterada como a forma como ele ocorre, e caso a lente do óculos for polarizada, o fenômeno pode até deixar de ser visto.

Referências:

http://www.atoptics.co.uk/rainbows/twin1.htm

The Theory of the Rainbow – H. Moysés Nussenzveig – 1977.

Theodoric of Freiberg (c. 1304–1310) De iride et radialibus impressionibus (On the rainbow and the impressions of radiance).

Roberson, Debi; Davies, Ian; Davidoff, Jules (September 2000). “Color categories are not universal: Replications and new evidence from a stone-age culture”. Journal of Experimental Psychology

Hutchison, Niels (2004). “Music For Measure: On the 300th Anniversary of Newton’s Opticks“. Colour Music. Archived from the original on 2017-01-18. Retrieved 2017-04-07.

“Atmospheric Optics: Twinned rainbows. Atoptics.co.uk. 2002-06-03. Retrieved 2013-08-19.

[email protected] Rainbows on Titan”. Archived from the original on 2008-09-21. Retrieved 2008-11-25.

Atmospheric Optics: Reflection rainbows formation”. Atoptics.co.uk. Retrieved 2013-08-19.

Óptica – Isaac Newton – Ed USP – 1996

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