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Arco-íris, também chamado arco-celeste, arco-da-aliança, arco-da-chuva ou arco-da-velha, é um fenômeno óptico e meteorológico que separa a luz do Sol em seu espectro quase contínuo quando o Sol brilha sobre gotas de chuva. Ele é um arco multicolorido com o vermelho no seu exterior e o violeta em seu interior; a ordem completa é vermelho, laranja, amarelo, verde, azul, anil (ou índigo) e violeta.

O efeito do arco-íris pode ser observado sempre que existir gotas de água no ar e a luz do Sol estiver brilhando acima do observador em uma baixa altitude. O mais espetacular arco-íris aparece quando metade do céu ainda está escuro com nuvens de chuva e o observador está em um local com céu claro. Outro local propício à apreciação do arco-íris é perto de cachoeiras.

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.

Estas gotas são percebidas como o arco-íris para aquele observador. Sua posição é sempre na direção oposta do Sol com relação ao observador. Uma curiosidade é que dentro do arco-íris as nuvens e o céu têm uma iluminação mais clara do que fora dele.

De um avião é possível ter a oportunidade de ver o círculo completo do arco-íris, com a sombra do avião no centro.

É difícil de fotografar o arco completo, o que 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 (mais detalhes sobre o ângulo de visão você vê aqui).

Podemos ver arco-íris de diferentes tamanhos porque, para estimar a sua largura, o nosso cérebro só tem como informação a dimensão do ângulo de visão que lhe corresponde. Se perto da imagem dele existirem objetos longínquos, como montanhas, o arco-íris parecerá maior. Se o arco-íris estiver perto de objetos menos distantes, parecerá menor. É fundamentalmente a mesma ilusão que faz com que a Lua, o Sol ou as constelações pareçam maiores quando estão perto do horizonte.

A primeira explicação teórica precisa do arco-íris foi feita por Descartes em 1637. Sabendo que o tamanho das gotas de chuva não pareciam afetar o arco-íris observado, ele fez uma experiência incidindo raios de luz através de uma grande esfera de vidro cheia de água. Ao medir os ângulos que os raios emergiam, ele concluiu que o primeiro arco era causado por uma única reflexão interna dentro da gota de chuva e que o segundo arco podia ser causado por duas reflexões internas.

Ele foi capaz de chegar aos seus resultados a partir da lei de refração e calculou corretamente os ângulos de ambos os arcos. Entretanto, ele não foi capaz de explicar as cores.

Isaac Newton foi o primeiro a demonstrar que a luz branca era composta da 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. Também demonstrou que a luz vermelha é refratada menos que a azul, o que levou a uma completa explicação do efeito óptico do arco-íris.

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. 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.

Abaixo, fotos de arco-íris comuns (primários) e duplos (primários e secundários). Clique para ampliar.

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 – que até agora muitos cientistas acreditavam que eles eram tão reais quanto um pote de ouro no final do arco-íris.

Estas lendárias raridades ópticas, causada por três reflexões de cada raio de luz dentro de uma gota de chuva, foram finalmente confirmadas, graças à perseverança fotográfica e um modelo meteorológico novo que fornece os fundamentos científicos para encontrá-los.

Embora incrivelmente raros, os arco-íris terciários e quaternários são produtos naturais da combinação de dispersão, refração e reflexão dentro de gotas de chuva. Estes são os mesmos processos que criam todos os arco-íris, mas eles são levados a seus extremos para produzir estas variantes.

Refração é quando a luz solar “dobra” por mudar de meio, passando, por exemplo, do ar para a água e vice-versa. As gotas de água refratam cada uma das cores da luz solar em um ângulo ligeiramente diferente. Isso é chamado de dispersão, que separa as cores para criar um arco-íris.

A maioria dessas luzes multicoloridas atravessa a gota de chuva, mas algumas se refletem. As curvas esféricas de um pingo concentram as reflexões a 138 graus do sol. Essa luz concentrada é brilhante o suficiente para criar um visível arco-íris primário.

Um duplo arco-íris ocorre porque nem toda a luz sai da gota de chuva. Parte é refletida de volta para o pingo de chuva e passa por todo o processo novamente. Embora esta luz seja mais fraca, por vezes, é também brilhante o suficiente para produzir um arco-íris secundário, do lado de fora do primeiro.

A terceira série de reflexões cria um arco-íris terciário. É ainda mais apagado do que o arco-íris secundário e muito mais difícil de encontrar, porque ao invés de formar longe do Sol, um arco-íris terciário aparece em torno dele. Para vê-lo, os observadores têm de olhar para todo o brilho emanado dele.

Pode ser por isso que apenas cinco observadores cientificamente informados haviam descrito o arco-íris terciário durante os últimos 250 anos.

Um pesquisador chamado Raymond Lee foi atrás das descrições dos cinco observadores e encontrou elementos comuns. Todos os arco-íris descritos como terciários apareceram por alguns segundos, contra um fundo de nuvens escuras a cerca de 40 graus de um Sol intensamente brilhante.

O pesquisador utilizou um modelo matemático para prever o que pode produzir condições para ver os terciários. Primeiro, eles precisavam de nuvens escuras e também de uma chuva pesada ou com gotas de tamanho quase uniforme. Sob essas condições, se o Sol romper as nuvens, ele pode projetar um arco-íris terciário.

Quando Lee apresentou suas descobertas, provocou uma discussão acalorada. Alguns cientistas insistiram que as descrições do passado estavam erradas e que os terciários são muito fracos para serem vistos no brilho do Sol.

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.

A olho nu é muito difícil de dizer que é visível. Mas a caça ao tesouro, com uma máquina fotográfica, vale a pena.

Abaixo, uma das fotos que esses pesquisadores tiraram, mostrando os arco-íris terciário e quaternário. Clique para ampliar.

Além dos arco-íris descritos acima, ainda existem os arco-íris geminados ou gêmeos e os supranumerários.

Ao contrário de um arco-íris duplo, que consiste em dois arcos separados do arco-íris, o arco-íris geminado, muito raro, aparece como dois arco-íris que se separaram de uma única base. As cores no segundo arco, ao invés de reverterem como em um arco-íris duplo, aparecem na mesma ordem do arco-íris primário. Às vezes é observado em combinação com um duplo arco-íris.

A causa de um arco-íris geminado é a combinação de diferentes tamanhos de gotas de água que caem do céu. Devido à resistência do ar, as gotas de chuva achatam à medida que caem, e o achatamento é mais proeminente em grandes gotas de água. Quando duas pancadas de chuva com pingos de diferentes tamanhos combinam-se, cada uma delas produz arco-íris ligeiramente diferentes, que podem combinar-se e formar um arco-íris geminado.

Abaixo, fotos de arco-íris geminados. Clique para ampliar.

Um arco-íris supranumerário, também conhecido como arco-íris empilhado, é um fenômeno pouco frequente, que consiste em várias cores repetidas do arco-íris, mais fracas, dentro do arco principal, e, muito raramente, também fora do arco-íris secundário. Os arco-íris supranumerários são ligeiramente destacados e tem faixas de cores que não se encaixam no padrão habitual.

Não é possível explicar a sua existência usando geométricas clássicas da óptica. Os arco-íris supranumerários são causados pela interferência entre os raios de luz que seguem caminhos um pouco diferentes, com comprimentos um pouco diferentes, dentro das gotas de chuva.  

Dados os diferentes ângulos de refração de raios de diferentes cores, os padrões de interferência são ligeiramente diferentes, de modo que cada faixa brilhante é diferenciada na cor, criando um arco-íris em miniatura.

Os arco-íris supranumerários são mais evidentes quando os pingos de chuva são pequenos e de tamanho similar.  

Abaixo, foto de um arco-íris supranumerário, visto em João Pessoa, Paraíba, em 13/04/2013. Note que, dentro do arco-íris, a partir do azul, as cores se repetem, mas de forma mais fraca. Note também o arco secundário no canto direito da foto. Clique para ampliar.

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Fontes:

http://www.brasilescola.com/fisica/formacao-um-arco-iris.htm

http://pt.wikipedia.org/wiki/Arco-%C3%ADris

http://en.wikipedia.org/wiki/Rainbow

http://hypescience.com/como-se-formam-os-raros-arco-iris-gemeos/

http://hypescience.com/arco-iris-quaternario-e-fotografado-pela-primeira-vez/

http://atmospherical.blogspot.com.br/2009/11/twinned-rainbow.html

http://www.meteoros.de/rainbow/regen-sp_e.htm

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

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