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22/10/09

El Fénomeno del Arco Iris



El arco iris es un fenómeno óptico y meteorológico que produce la aparición de un espectro de luz continuo en el cielo cuando los rayos del sol atraviesan pequeñas partículas de humedad contenidas en la atmosfera terrestre. La forma es la suma de un arco multicolor con el rojo hacia la parte exterior y el azul violeta hacia la interior. Menos frecuente es el arco iris doble, el cual incluye un segundo arco más tenue con los colores invertidos, es decir el rojo hacia el interior y el violeta hacia el exterior.


A pesar de que el arco iris muestra un espectro continuo de colores, comúnmente se suele aceptar como siete los colores que lo conforman, los cuales son el rojo, magenta, amarillo, verde, indigo, azul violeta y azul ciano, producto de la descomposición de frecuencias de la luz, y es formado por los 3 colores primarios y los 3 secundarios, aunque tradicionalmente se habla de 7 colores, incluyendo el indigo entre el azul ciano y el azul violeta.

Descubrimiento Historico




Hace más de tres siglos, Isaac Newton logró demostrar con ayuda de un prisma que la luz blanca del Sol contiene colores partiendo del rojo, a su vez pasando por el magenta, amarillo, por el verde, por el azul ciano y el indigo hasta llegar al azul violeta. Esta separación de la luz en los colores que la conforman recibe el nombre de descomposición de la luz blanca


El experimento de Newton no es difícil de reproducir, pues no es necesario contar con instrumental científico especial para llevarlo a cabo. Incluso hoy en día resulta ser uno de los más hermosos e instructivos para los incipientes estudiantes de óptica en educación básica, media y superior. se puede lograr con un prisma, el cual es atravesado por un rayo de luz blanca del sol, este se refracta y sale por el lado opuesto descompuesto en los 7 colores ya mencionados.

Pero muchos siglos antes de que naciera Newton la naturaleza ya había descompuesto la luz del Sol una y otra vez ante los ojos de nuestros antepasados. Algunas veces, después de una llovizna; otras, tras una tormenta. Lo cierto es que el arco iris fue durante mucho tiempo un fenómeno tan asombroso como sobrecogedor. Tomado en ocasiones como portador de augurios, en otras como inspiración de leyenda, y siempre como una obra de arte, nunca ha dejado de parecer maravilloso al ser humano.

Explicación Científica


Cuando la luz solar incide sobre las gotas de lluvia, éstas se encargan de producir tal efecto, pero en algunas mucho más que en otras. Los rayos del sol involucrados con la formación del arco iris salen de las gotas de lluvia con un Angulo de aproximadamente 138 grados respecto de la dirección que llevaban antes de entrar en ellas. Este es el "ángulo del arco iris", descubierto por René Descartes en el año de 1637. Si la luz saliera a 180 grados, entonces regresaría por donde vino. Como el ángulo de salida es de sólo 138 grados, la luz no se refleja exactamente hacia su origen. Esto hace posible que el arco iris sea visible para nosotros, que no solemos encontrarnos exactamente entre el Sol y la lluvia. De manera que siempre, si nos colocamos de frente a un arco iris, el Sol estará detrás de nosotros.


Para ser más precisos, es la luz amarilla la que es dispersada a 138 grados de su trayectoria original. La luz de otros colores es dispersada en ángulos algo distintos. La luz roja del arco iris se dispersa en una dirección ligeramente menor que 138 grados, mientras que la luz violeta sale de las gotas de lluvia en un ángulo un poco mayor.

Un rayo de luz solar, de los que "hacen" un arco iris, cambia su dirección tres veces mientras se mueve a través de una gota de lluvia: Primero entra en la gota, lo cual ocasiona que se refracte ligeramente. Entonces se mueve hacia el extremo opuesto de la gota, y se refleja en la cara interna de la misma. Finalmente, vuelve a refractarse cuando sale de la gota de lluvia en forma de luz dispersa. La descomposición en colores es posible porque el índice de refracción de la gota de agua es ligeramente distinto para cada longitud de onda, para cada color del arco iris.

La luz solar emerge de muchas gotas de lluvia a un tiempo. El efecto combinado es un mosaico de pequeños destellos de luz dispersados por muchas gotas de lluvia, distribuido como un arco en el cielo. Los diversos tamaños y formas de las gotas afectan la intensidad de los colores del arco iris. Gotas pequeñas hacen un arco iris pálido y de colores con tonalidades pastel; gotas grandes producen colores muy vivos. Además, las gotas grandes son aplastadas por la resistencia del aire mientras caen. Esta distorsión ocasiona que el "final" del arco iris tenga colores más intensos que la cresta. Quizás sea ésta la causa de la leyenda que sugiere la existencia de una olla que contiene oro resplandeciente en el final del arco iris.

El Arco iris doble
   



A veces, es posible ver también lo que se conoce como arco iris secundario, el cual es más débil y presenta los colores invertidos. El arco iris primario, que hemos dado en llamar simplemente "arco iris", es siempre un arco interior y más próximo al observador que el arco iris secundario. Este segundo arco se produce cuando la luz blanca refractada y separada en los distintos colores del espectro visible, se refracta de nuevo en una cortina de agua posterior, con lo cual se invierten dichos colores atendiendo a la longitud de onda correspondiente, mayor en los rayos rojos y menor en los azules y violeta.

Es interesante señalar que ninguna luz emerge en la región entre los arco iris primario y secundario. Esto coincide con algunas observaciones, que señalan que la región entre los dos arcos es muy oscura, mientras que en la parte exterior del arco secundario y en la parte interior del arco primario es visible una considerable cantidad de luz, lo cual se debe al reflejo de la luz blanca concentrada justo antes de su refracción para formar el arco iris. Esta zona oscura intermedia se debe a la intensidad de la cortina de agua, que absorbe toda la luz posible hacia el interior de la misma, por lo que el arco secundario es simplemente un reflejo del primario en dirección hacia el observador y es conocida como "Banda de Alejandro".

Teóricamente, tres, cuatro y cinco reflexiones de los rayos solares dentro de las gotas de lluvia producirán otros tantos arco iris. Los arcos tercero y cuarto están localizados entre el observador y el Sol pero, debido a que la luz solar directa es muy brillante comparada con los arcos débiles, probablemente el fenómeno nunca será observado. Sin embargo, el quinto arco iris se produce en la misma parte del cielo que los arcos primario y secundario, y debería poder verse excepto por lo tenue de su luz. Es posible, en un experimento de laboratorio, demostrar que se pueden conseguir hasta 13 arcos iris visibles, aunque, lógicamente su luminosidad se reduce considerablemente.

En algunas ocasiones, cuando los arco iris primario y secundario son muy brillantes, se puede observar un tercero dentro del primario y un cuarto fuera del secundario. A estos arcos se les llama arcos supernumerarios y se deben a efectos especiales de interferencia luminosa.

Alguien que ve un arco iris, en realidad no está viendo cosa alguna que esté en un sitio fijo. El arco iris es sólo un fantasma, una imagen. Se cuenta que un pasajero de un pequeño avión le pidió una vez al piloto de la aeronave que cruzara el centro del arco iris. El arco iris nunca fue creciendo conforme el avión volaba hacia él. Luego de un rato, el arco iris se desvaneció, pues el avión voló fuera del área donde la lluvia lo producía. Así, este inocente pasajero se quedó con las ganas de volar a través del arco iris.

Cuando alguien mira un arco iris, lo que está viendo en realidad es luz dispersada por ciertas gotas de lluvia. Otra persona que se encuentre al lado del primer observador verá luz dispersada por otras gotas. De manera que, aunque suene gracioso, puede decirse que cada quien ve su propio arco iris, distinto (hablando en un sentido estricto) del que ven todos los demás.

Si las condiciones atmosféricas y el sitio de observación son perfectos, entonces la lluvia y el sol trabajan juntos para crear un anillo de luz completo, denominado arco iris circular como el que se vio el 6 de Agosto del 2007 en la isla de Langkawi, Malasia. En los arco iris normales el rojo es el color exterior, y el violeta el interior, pero en los circulares la variación es la contraria.

Descomposición de la luz en una gota de agua

Respecto de las condiciones para ver un arco iris se reducen a que el observador tiene que estar localizado entre el sol y una lluvia de gotas esféricas (una lluvia uniforme). Es posible que el observador crea que la lluvia no es uniforme donde él se encuentra, pero sí debe serlo desde donde localizaría el arco iris. ¿Y cuándo son las gotas esféricas? Las gotas son esféricas cuando caen a una velocidad uniforme, constante. Esto es posible en condiciones de aceleración gravitatoria contando con las fuerzas viscosas de oposición del aire. Cuando se cumple que la velocidad de las gotas es uniforme, la gota adquiere un volumen máximo con la mínima superficie Sólo en estas condiciones es posible la dispersión luminosa dentro de la gota y por tanto el arco iris, aunque ligeras variaciones de la esfera puedan dar diversas variaciones en un arco iris. Por lo tanto, la lluvia no debe ser torrencial, ni estar afectada por el viento. Es por ello que no siempre se contempla el arco iris cuando hay lluvia y sol.

Es importante notar la altura del sol cuando uno observa un arco iris, pues es algo que ayuda a determinar qué tanto alcanza uno a ver de él: cuanto más bajo se encuentre el sol , más alta será la cresta del arco iris y viceversa. Alguien que pueda elevarse un poco sobre la superficie de la Tierra, se daría cuenta de que ciertos arcos iris continúan por debajo del horizonte. Quienes escalan montañas altas han logrado ver en ocasiones una buena parte de arcos iris circulares completos. Pero ni siquiera las montañas poseen la suficiente altura como para poder llegar a observar un arco iris circular en su totalidad.

Los aviadores han informado algunas veces haber visto genuinos arcos iris circulares completos, los cuales curiosamente han pasado inadvertidos para los pasajeros de sus aeronaves. Esto puede deberse a que las ventanas de los viajeros son muy estrechas y ofrecen un campo de visión muy reducido, a diferencia del impresionante campo visual que tiene el piloto.