Arcoíris

Un arco iris es un fenómeno óptico causado por la refracción, la reflexión interna y la dispersión de la luz en las gotas de agua, lo que da como resultado un espectro continuo de luz que aparece en el cielo. El arco iris toma la forma de un arco circular multicolor. Los arcoíris causados por la luz solar siempre aparecen en la sección del cielo directamente opuesta al Sol. Los arcoíris pueden ser causados por muchas formas de agua en el aire. Estos incluyen no sólo la lluvia, sino también la niebla, las salpicaduras y el rocío en el aire.

Los arcoíris pueden ser círculos completos. Sin embargo, el observador normalmente ve sólo un arco formado por gotas iluminadas sobre el suelo y centrado en una línea que va desde el Sol hasta el ojo del observador.

En un arco iris primario, el arco se muestra rojo en la parte exterior y violeta en la parte interior. Este arco iris es causado por la luz que se refracta al entrar en una gota de agua, luego se refleja en el interior de la gota y se refracta nuevamente al salir de ella.

En un arco iris doble, se ve un segundo arco fuera del arco primario y tiene el orden de sus colores invertido, con el rojo en el lado interior del arco. Esto se debe a que la luz se refleja dos veces en el interior de la gota antes de salir de ella.

Visibilidad

Los arcoíris se pueden observar siempre que haya gotas de agua en el aire y la luz del sol brille detrás del observador en un ángulo de baja altitud. Debido a esto, los arcoíris generalmente se ven en el cielo occidental durante la mañana y en el cielo oriental durante las primeras horas de la tarde. Las exhibiciones de arco iris más espectaculares ocurren cuando la mitad del cielo todavía está oscuro con nubes que llueve y el observador se encuentra en un lugar con cielo despejado en dirección al Sol. El resultado es un arcoíris luminoso que contrasta con el fondo oscurecido. En condiciones de buena visibilidad, el arco iris secundario, más grande pero más tenue, suele ser visible. Aparece unos 10° fuera del arco iris primario, con orden de colores inverso.

El efecto arcoíris también se ve comúnmente cerca de cascadas o fuentes. Además, el efecto se puede crear artificialmente dispersando gotas de agua en el aire durante un día soleado. En raras ocasiones, se puede ver un arco lunar, un arco iris lunar o un arco iris nocturno en noches fuertemente iluminadas por la luna. Como la percepción visual humana del color es pobre en condiciones de poca luz, los arcos lunares a menudo se perciben como blancos.

Es difícil fotografiar el semicírculo completo de un arco iris en un solo cuadro, ya que esto requeriría un ángulo de visión de 84°. Para una cámara de 35 mm, se necesitaría una lente gran angular con una distancia focal de 19 mm o menos. Ahora que está disponible el software para unir varias imágenes en un panorama, se pueden crear con bastante facilidad imágenes de todo el arco e incluso de arcos secundarios a partir de una serie de fotogramas superpuestos.

Desde arriba de la Tierra, como en un avión, a veces es posible ver un arco iris como un círculo completo. Este fenómeno puede confundirse con el fenómeno de la gloria, pero una gloria suele ser mucho más pequeña y cubre sólo entre 5 y 20°.

El cielo dentro de un arco iris primario es más brillante que el cielo fuera del arco. Esto se debe a que cada gota de lluvia es una esfera y dispersa la luz sobre un disco circular completo en el cielo. El radio del disco depende de la longitud de onda de la luz, y la luz roja se dispersa en un ángulo mayor que la luz azul. En la mayor parte del disco, la luz dispersada en todas las longitudes de onda se superpone, dando como resultado una luz blanca que ilumina el cielo. En el borde, la dependencia de la dispersión con la longitud de onda da lugar al arco iris.

La luz de un arco iris primario está polarizada en un 96% tangencial al arco. La luz del segundo arco está polarizada en un 90%.

Número de colores en un espectro o un arco iris

Para los colores vistos por el ojo humano, la secuencia más comúnmente citada y recordada es la séptuple roja, naranja, amarilla, verde, azul, índigo y violeta de Isaac Newton, recordada por el mnemotécnico Richard Of York. Dio batalla en vano, o como el nombre de una persona ficticia (Roy G. Biv). A veces se hace referencia a las iniciales en orden inverso, como VIBGYOR. Más modernamente, el arcoíris suele dividirse en rojo, naranja, amarillo, verde, cian, azul y violeta. La aparente discreción de los colores principales es un artefacto de la percepción humana y el número exacto de colores principales es una elección algo arbitraria.

Newton, quien admitió que sus ojos no eran muy críticos para distinguir colores, originalmente (1672) dividió el espectro en cinco colores principales: rojo, amarillo, verde, azul y violeta. Posteriormente incluyó el naranja y el índigo, dando siete colores principales por analogía con el número de notas de una escala musical. Newton optó por dividir el espectro visible en siete colores por una creencia derivada de las creencias de los antiguos sofistas griegos, que pensaban que había una conexión entre los colores, las notas musicales, los objetos conocidos del Sistema Solar y los días de la semana. Los estudiosos han observado que lo que Newton consideraba en ese momento como color "azul" era un color azul. hoy se consideraría cian, y lo que Newton llamó "índigo" hoy se consideraría azul.

El patrón de color de un arco iris es diferente de un espectro y los colores están menos saturados. Hay manchas espectrales en un arco iris debido al hecho de que para cualquier longitud de onda particular, hay una distribución de ángulos de salida, en lugar de un único ángulo invariable. Además, un arco iris es una versión borrosa del arco obtenido de una fuente puntual, porque el diámetro del disco del sol (0,5°) no puede despreciarse en comparación con el ancho de un arco iris (2°). El rojo adicional del primer arco iris suplementario se superpone al violeta del arco iris primario, por lo que en lugar de que el color final sea una variante del violeta espectral, en realidad es un púrpura. Por lo tanto, el número de bandas de color de un arco iris puede ser diferente del número de bandas de un espectro, especialmente si las gotas son particularmente grandes o pequeñas. Por tanto, el número de colores de un arcoíris es variable. Sin embargo, si la palabra arco iris se usa incorrectamente para significar espectro, es el número de colores principales en el espectro.

Además, el arco iris tiene bandas más allá del rojo y el violeta en las respectivas regiones del infrarrojo cercano y del ultravioleta; sin embargo, estas bandas no son visibles para los humanos. En el arco iris sólo se incluyen frecuencias cercanas a estas regiones del espectro visible, ya que el agua y el aire se vuelven cada vez más opacos a estas frecuencias, dispersando la luz. La banda UV a veces es visible para cámaras que utilizan películas en blanco y negro.

La cuestión de si todo el mundo ve siete colores en un arco iris está relacionada con la idea de la relatividad lingüística. Se ha sugerido que existe universalidad en la forma en que se percibe un arco iris. Sin embargo, investigaciones más recientes sugieren que la cantidad de colores distintos observados y cómo se llaman dependen del lenguaje que se usa, y las personas cuyo lenguaje tiene menos palabras de colores ven menos bandas de colores discretas.

Explicación

Los rayos de luz entran en una gota de lluvia desde una dirección (típicamente una línea recta desde el Sol), reflejan la parte posterior de la gota de lluvia, y afloran mientras dejan la gota de lluvia. La luz que deja el arco iris se extiende sobre un ángulo ancho, con una intensidad máxima en los ángulos 40.89–42°. (Nota: Entre el 2 y el 100% de la luz se refleja en cada una de las tres superficies encontradas, dependiendo del ángulo de incidencia. Este diagrama sólo muestra los caminos relevantes para el arco iris.)

La luz blanca se separa en diferentes colores al entrar en la gota de lluvia debido a la dispersión, haciendo que la luz roja sea refractada menos que la luz azul.

Cuando la luz del sol encuentra una gota de lluvia, parte de la luz se refleja y el resto entra en la gota de lluvia. La luz se refracta en la superficie de la gota de lluvia. Cuando esta luz incide en la parte posterior de la gota de lluvia, parte de ella se refleja en la parte posterior. Cuando la luz reflejada internamente llega nuevamente a la superficie, una vez más una parte se refleja internamente y otra se refracta al salir de la gota. (La luz que se refleja en la gota, sale por detrás o continúa rebotando dentro de la gota después del segundo encuentro con la superficie, no es relevante para la formación del arco iris primario). El efecto general es esa parte del La luz entrante se refleja en el rango de 0° a 42°, con la luz más intensa a 42°. Este ángulo es independiente del tamaño de la gota, pero sí depende de su índice de refracción. El agua de mar tiene un índice de refracción más alto que el agua de lluvia, por lo que el radio de un "arcoíris" en la espuma del mar es más pequeña que la de un verdadero arcoíris. Esto es visible a simple vista por una desalineación de estos arcos.

La razón por la que la luz que regresa es más intensa aproximadamente a 42° es que se trata de un punto de inflexión: la luz que incide en el anillo más externo de la gota regresa a menos de 42°, al igual que la luz que incide en la gota más cercana a su centro. . Hay una banda circular de luz que regresa alrededor de 42°. Si el Sol fuera un láser que emitiera rayos monocromáticos paralelos, entonces la luminancia (brillo) del arco tendería hacia el infinito en este ángulo si se ignoran los efectos de interferencia (ver Cáustico (óptica)). Pero como la luminancia del Sol es finita y sus rayos no son todos paralelos (cubre aproximadamente medio grado del cielo), la luminancia no llega al infinito. Además, la cantidad de refracción de la luz depende de su longitud de onda y, por tanto, de su color. Este efecto se llama dispersión. La luz azul (longitud de onda más corta) se refracta en un ángulo mayor que la luz roja, pero debido al reflejo de los rayos de luz desde la parte posterior de la gota, la luz azul emerge de la gota en un ángulo menor con respecto al rayo de luz blanca incidente original que la luz roja. Debido a este ángulo, se ve azul en el interior del arco del arco iris primario y rojo en el exterior. El resultado de esto no sólo es dar diferentes colores a diferentes partes del arco iris, sino también disminuir el brillo. (Un "arco iris" formado por gotas de un líquido sin dispersión sería blanco, pero más brillante que un arco iris normal).

La luz detrás de la gota de lluvia no sufre una reflexión interna total y la mayor parte de la luz emerge desde atrás. Sin embargo, la luz que sale de la parte posterior de la gota de lluvia no crea un arco iris entre el observador y el Sol porque los espectros emitidos desde la parte posterior de la gota de lluvia no tienen un máximo de intensidad, como los otros arco iris visibles, y por lo tanto los colores se mezclan. juntos en lugar de formar un arco iris.

Un arco iris no existe en un lugar en particular. Existen muchos arcoíris; sin embargo, según el punto de vista del observador, sólo uno puede verse como gotas de luz iluminadas por el sol. Todas las gotas de lluvia refractan y reflejan la luz del sol de la misma manera, pero sólo la luz de algunas gotas de lluvia llega al ojo del observador. Esta luz es lo que constituye el arco iris para ese observador. Todo el sistema compuesto por los rayos del Sol, la cabeza del observador y las gotas de agua (esféricas) tiene una simetría axial alrededor del eje que pasa por la cabeza del observador y paralelo al Sol. ;s rayos. El arco iris es curvo porque el conjunto de todas las gotas de lluvia que forman un ángulo recto entre el observador, la gota y el Sol, se encuentran sobre un cono apuntando al sol con el observador en la punta. La base del cono forma un círculo en un ángulo de 40 a 42° con respecto a la línea entre la cabeza del observador y su sombra, pero el 50 % o más del círculo está por debajo del horizonte, a menos que el observador esté lo suficientemente lejos por encima. la superficie de la tierra para verlo todo, por ejemplo en un avión (ver más abajo). Alternativamente, un observador con el punto de vista correcto puede ver el círculo completo en una fuente o cascada.

Derivación matemática

Es posible determinar el ángulo percibido que subtiende el arco iris de la siguiente manera.

Dada una gota de lluvia esférica y definiendo el ángulo percibido del arco iris como 2φ, y el ángulo de reflexión interna como 2β, entonces el ángulo de incidencia de los rayos del Sol con respecto a la normal a la superficie de la gota es 2β − φ. Como el ángulo de refracción es β, la ley de Snell nos da

pecado(2)β − φ) n pecado β,

donde n = 1,333 es el índice de refracción del agua. Resolviendo para φ, obtenemos

φ = 2β − arcsin(n pecado β).

El arco iris ocurrirá donde el ángulo φ sea máximo con respecto al ángulo β. Por lo tanto, desde el cálculo, podemos establecer dφ/dβ = 0 y resolver para β, que produce

${\displaystyle \beta _{\text{max}}=\arccos \left({\frac {2{\sqrt {-1+n^{2}}{\sqrt {3}n}\right)\approx 40.2^{\circ }$

Sustituyendo de nuevo en la ecuación anterior φ se obtiene 2φ_max ≈ 42° como el ángulo del radio del arco iris.

Para la luz roja (longitud de onda de 750 nm, n = 1,330 según la relación de dispersión del agua), el ángulo del radio es de 42,5°; para la luz azul (longitud de onda 350 nm, n = 1,343), el ángulo del radio es 40,6°.

Variaciones

Doble arcoiris

A menudo es visible un arco iris secundario, en un ángulo mayor que el arco iris primario. El término doble arco iris se utiliza cuando tanto el arco iris primario como el secundario son visibles. En teoría, todos los arcoíris son dobles, pero como el arco secundario siempre es más débil que el primario, puede ser demasiado débil para detectarlo en la práctica.

Los arco iris secundarios son causados por un doble reflejo de la luz solar dentro de las gotas de agua. Técnicamente, el arco secundario está centrado en el sol mismo, pero como su tamaño angular es de más de 90° (aproximadamente 127° para el violeta y 130° para el rojo), se ve en el mismo lado del cielo que el arco iris primario, aproximadamente 10° fuera de él en un ángulo aparente de 50 a 53°. Como resultado del "interior" del arco secundario estando "arriba" para el observador, los colores aparecen invertidos en comparación con los del arco primario.

El arco iris secundario es más tenue que el primario porque se escapa más luz de dos reflejos que de uno y porque el arco iris en sí se extiende sobre un área mayor del cielo. Cada arcoíris refleja luz blanca dentro de sus bandas de colores, pero eso es "hacia abajo" para los niveles primario y "up" para la secundaria. El área oscura del cielo sin iluminación que se encuentra entre los arcos primario y secundario se llama banda de Alejandro, en honor a Alejandro de Afrodisias, quien la describió por primera vez.

Arco iris hermanado

A diferencia de un arco iris doble que consta de dos arcos de arco iris separados y concéntricos, el muy raro arco iris gemelo aparece como dos arcos de arco iris que se separan de una sola base. Los colores del segundo arco, en lugar de invertirse como en un arco iris secundario, aparecen en el mismo orden que el arco iris primario. Una situación "normal" También puede haber un arco iris secundario. Los arcoíris hermanados pueden parecerse a bandas supernumerarias, pero no deben confundirse con ellas. Los dos fenómenos pueden diferenciarse por su diferencia en el perfil de color: las bandas supernumerarias consisten en tonos pastel tenues (principalmente rosa, violeta y verde), mientras que el arco iris hermanado muestra el mismo espectro que un arco iris normal. Se cree que la causa de un arco iris gemelo es la combinación de gotas de agua de diferentes tamaños que caen del cielo. Debido a la resistencia del aire, las gotas de lluvia se aplanan a medida que caen, y el aplanamiento es más prominente en las gotas de agua más grandes. Cuando se combinan dos chubascos con gotas de diferentes tamaños, cada uno produce arcoíris ligeramente diferentes que pueden combinarse y formar un arco iris gemelo. Un estudio de trazado de rayos numéricos mostró que un arco iris hermanado en una fotografía podría explicarse por una mezcla de gotas de 0,40 y 0,45 mm. Esa pequeña diferencia en el tamaño de la gota resultó en una pequeña diferencia en el aplanamiento de la forma de la gota y una gran diferencia en el aplanamiento de la parte superior del arco iris.

Mientras tanto, se observó y fotografió en la naturaleza el caso aún más raro de un arco iris dividido en tres ramas.

Arco iris de círculo completo

En teoría, cada arco iris es un círculo, pero desde el suelo, normalmente sólo se puede ver su mitad superior. Dado que el centro del arco iris está diametralmente opuesto a la posición del Sol en el cielo, se ve más parte del círculo a medida que el Sol se acerca al horizonte, lo que significa que la sección más grande del círculo que normalmente se ve es de aproximadamente 50 % durante el atardecer o el amanecer. Ver la mitad inferior del arco iris requiere la presencia de gotas de agua debajo del horizonte del observador, así como la luz solar que pueda alcanzarlas. Estos requisitos generalmente no se cumplen cuando el espectador está al nivel del suelo, ya sea porque las gotas no están en la posición requerida o porque el paisaje detrás del observador obstruye la luz del sol. Sin embargo, desde un punto de vista elevado, como un edificio alto o un avión, se pueden cumplir los requisitos y se puede ver el arco iris de círculo completo. Al igual que un arco iris parcial, el arco iris circular puede tener un arco secundario o también arcos supernumerarios. Es posible producir el círculo completo estando de pie en el suelo, por ejemplo rociando agua nebulizada con una manguera de jardín de espaldas al sol.

Un arco iris circular no debe confundirse con la gloria, que tiene un diámetro mucho más pequeño y se crea mediante diferentes procesos ópticos. En las circunstancias adecuadas, una gloria y un arco iris (circular) o un arco de niebla pueden ocurrir juntos. Otro fenómeno atmosférico que puede confundirse con un "arco iris circular" es el halo de 22°, causado por cristales de hielo en lugar de gotas de agua líquida, y está ubicado alrededor del Sol (o la Luna), no frente a él.

Arco iris supernumerario

En determinadas circunstancias, se pueden ver una o varias bandas estrechas de colores tenues bordeando el borde violeta de un arco iris; es decir, dentro del arco primario o, mucho más raramente, fuera del secundario. Estas bandas extra se llaman arco iris supernumerarios o bandas supernumerarias; Junto con el propio arco iris, el fenómeno también se conoce como arco iris apilador. Los arcos supernumerarios están ligeramente separados del arco principal, se vuelven sucesivamente más débiles a medida que se alejan de él y tienen colores pastel (que consisten principalmente en tonos rosa, violeta y verde) en lugar del patrón de espectro habitual. El efecto se vuelve evidente cuando se trata de gotas de agua que tienen un diámetro de aproximadamente 1 mm o menos; cuanto más pequeñas son las gotas, más anchas se vuelven las bandas supernumerarias y menos saturados sus colores. Debido a su origen en pequeñas gotas, las bandas supernumerarias tienden a ser particularmente prominentes en los arcos de niebla.

Los arcoíris supernumerarios no se pueden explicar utilizando la óptica geométrica clásica. Las bandas débiles alternas son causadas por la interferencia entre rayos de luz que siguen caminos ligeramente diferentes con longitudes ligeramente variables dentro de las gotas de lluvia. Algunos rayos están en fase, reforzándose entre sí mediante interferencia constructiva, creando una banda brillante; otros están desfasados hasta en media longitud de onda, anulándose entre sí mediante interferencias destructivas y creando una brecha. Dados los diferentes ángulos de refracción de rayos de diferentes colores, los patrones de interferencia son ligeramente diferentes para rayos de diferentes colores, por lo que cada banda brillante se diferencia en color, creando un arco iris en miniatura. Los arcoíris supernumerarios son más claros cuando las gotas de lluvia son pequeñas y de tamaño uniforme. La existencia misma de arco iris supernumerarios fue históricamente una primera indicación de la naturaleza ondulatoria de la luz, y la primera explicación la proporcionó Thomas Young en 1804.

Arco iris reflejado, arco iris reflejo

Cuando aparece un arco iris sobre una masa de agua, se pueden ver dos arcos de espejo complementarios debajo y encima del horizonte, originados en diferentes caminos de luz. Sus nombres son ligeramente diferentes.

Puede aparecer un arco iris reflejado en la superficie del agua debajo del horizonte. La luz del sol es primero desviada por las gotas de lluvia y luego reflejada en la masa de agua antes de llegar al observador. El arco iris reflejado es frecuentemente visible, al menos parcialmente, incluso en pequeños charcos.

Se puede producir un arco iris de reflexión cuando la luz del sol se refleja en una masa de agua antes de llegar a las gotas de lluvia, si la masa de agua Es amplio, silencioso en toda su superficie y cercano a la cortina de lluvia. El arco iris reflejo aparece sobre el horizonte. Se cruza con el arco iris normal en el horizonte y su arco se eleva más en el cielo, con su centro tan alto por encima del horizonte como el centro del arco iris normal está debajo de él. Los arcos reflectantes suelen ser más brillantes cuando el sol está bajo porque en ese momento su luz se refleja con mayor intensidad en las superficies del agua. A medida que el sol se pone, los arcos normal y de reflexión se acercan. Debido a la combinación de requisitos, rara vez se ve un arco iris reflejado.

Se pueden distinguir hasta ocho arcos separados si los arcoíris reflejados y de reflexión ocurren simultáneamente: los arcos primarios y secundarios normales (sin reflexión) sobre el horizonte (1, 2) con sus contrapartes reflejadas debajo de él (3, 4), y la reflexión primaria y secundaria se inclina sobre el horizonte (5, 6) con sus contrapartes reflejadas debajo de él (7, 8).

Arco iris monocromo

Ocasionalmente, puede ocurrir una lluvia al amanecer o al atardecer, donde las longitudes de onda más cortas, como el azul y el verde, se han dispersado y esencialmente eliminado del espectro. Es posible que se produzca una mayor dispersión debido a la lluvia, y el resultado puede ser el raro y espectacular arco iris monocromo o rojo.

Arco iris de orden superior

Además de los arcoíris primarios y secundarios comunes, también es posible que se formen arcoíris de órdenes superiores. El orden de un arco iris está determinado por el número de reflejos de luz dentro de las gotas de agua que lo crean: un reflejo da como resultado el arco iris de primer orden o primario; dos reflejos crean el arco iris de segundo orden o secundario. Más reflexiones internas provocan arcos de órdenes superiores, en teoría hasta el infinito. Sin embargo, a medida que se pierde más y más luz con cada reflexión interna, cada arco posterior se vuelve progresivamente más tenue y, por lo tanto, cada vez más difícil de detectar. Un desafío adicional al observar los arcoíris de tercer orden (o terciario) y de cuarto orden (cuaternario) es su ubicación en la dirección del sol (aproximadamente 40° y 45° del sol, respectivamente), provocando que se ahoguen en su resplandor.

Por estas razones, los arcoíris naturales de orden superior a 2 rara vez son visibles a simple vista. Sin embargo, se han reportado avistamientos del arco de tercer orden en la naturaleza, y en 2011 fue fotografiado definitivamente por primera vez. Poco después, también se fotografió el arco iris de cuarto orden, y en 2014 se publicaron las primeras imágenes del arco iris de quinto orden (o quinario). El arco iris quinario se encuentra parcialmente en el espacio entre el arco iris primario y el secundario y es mucho más débil incluso que el secundario. En un laboratorio, es posible crear arcos de órdenes mucho más altos. Felix Billet (1808-1882) representó posiciones angulares hasta el arco iris de orden 19, un patrón que llamó "rosa de arco iris". En el laboratorio, es posible observar arcoíris de orden superior utilizando luz extremadamente brillante y bien colimada producida por láseres. Ng et al. informaron hasta el arco iris de orden 200. en 1998 utilizando un método similar pero con un rayo láser de iones de argón.

Los arcoíris terciarios y cuaternarios no deben confundirse con los arcoíris "triples" y "cuádruple" arco iris: términos que a veces se utilizan erróneamente para referirse a los (mucho más comunes) arcos supernumerarios y arco iris de reflexión.

Arco iris bajo la luz de la luna

Como la mayoría de los fenómenos ópticos atmosféricos, el arco iris puede ser causado por la luz del Sol, pero también de la Luna. En el caso de este último, el arco iris se conoce como arco iris lunar o arco lunar. Son mucho más tenues y raros que los arcoíris solares, por lo que requieren que la Luna esté casi llena para poder verlos. Por la misma razón, los arcos lunares a menudo se perciben como blancos y pueden considerarse monocromáticos. Sin embargo, el espectro completo está presente, pero el ojo humano normalmente no es lo suficientemente sensible para ver los colores. Las fotografías de larga exposición a veces muestran el color de este tipo de arco iris.

Arco de niebla

Los arcos de niebla se forman de la misma manera que el arco iris, pero están formados por nubes y gotas de niebla mucho más pequeñas que difractan la luz ampliamente. Son casi blancos con rojos tenues por fuera y azules por dentro; a menudo se pueden distinguir una o más bandas supernumerarias anchas dentro del borde interior. Los colores son tenues porque el lazo de cada color es muy amplio y los colores se superponen. Los arcos de niebla se ven comúnmente sobre el agua cuando el aire en contacto con el agua más fría se enfría, pero se pueden encontrar en cualquier lugar si la niebla es lo suficientemente fina como para que el sol brille y el sol es bastante brillante. Son muy grandes, casi tan grandes como un arco iris y mucho más anchos. A veces aparecen con una gloria en el centro del arco.

Los arcos de niebla no deben confundirse con los halos de hielo, que son muy comunes en todo el mundo y visibles con mucha más frecuencia que los arcoíris (de cualquier orden), aunque no están relacionados con los arcoíris.

Arco de nieve

Un arco de aguanieve se forma de la misma manera que un arco iris típico, con la excepción de que ocurre cuando la luz pasa a través de aguanieve (gránulos de hielo) que cae en lugar de agua líquida. A medida que la luz pasa a través del aguanieve, la luz se refracta provocando fenómenos poco comunes. Estos se han documentado en todo Estados Unidos y el primer arco iris documentado y fotografiado públicamente se vio en Richmond, Virginia, el 21 de diciembre de 2012. Al igual que los arcoíris normales, también pueden presentarse en varias formas, y el 7 de enero de 2016 se documentó un arco iris monocromático en Valparaíso, Indiana.

Arcos circunhorizontales y circuncenitales

Los arcos circuncenital y circunhorizontal son dos fenómenos ópticos relacionados, similares en apariencia a un arco iris, pero a diferencia de este último, su origen radica en la refracción de la luz a través de cristales de hielo hexagonales en lugar de gotas de agua líquida. Esto quiere decir que no son arcoíris, sino miembros de la gran familia de los halos.

Ambos arcos son segmentos de anillos de colores brillantes centrados en el cenit, pero en diferentes posiciones en el cielo: el arco circuncenital es notablemente curvado y está ubicado muy por encima del Sol (o la Luna) con su lado convexo apuntando hacia abajo (creando la impresión de un "arco iris al revés"); el arco circunhorizontal corre mucho más cerca del horizonte, es más recto y está situado a una distancia significativa por debajo del Sol (o la Luna). Ambos arcos tienen su lado rojo apuntando hacia el Sol y su parte violeta alejada de él, lo que significa que el arco circuncenital es rojo en la parte inferior, mientras que el arco circunhorizontal es rojo en la parte superior.

A veces se hace referencia al arco circunhorizontal con el nombre inapropiado de "arco iris de fuego". Para poder verlo, el Sol o la Luna deben estar al menos a 58° sobre el horizonte, lo que lo hace poco común en latitudes más altas. El arco circuncenital, visible sólo a una elevación solar o lunar inferior a 32°, es mucho más común, pero a menudo pasa desapercibido ya que ocurre casi directamente sobre nuestras cabezas.

Arco iris extraterrestre

Se ha sugerido que podrían existir arcoíris en Titán, la luna de Saturno, ya que tiene una superficie húmeda y nubes húmedas. El radio de un arco iris de Titán sería de aproximadamente 49° en lugar de 42°, porque el fluido en ese ambiente frío es metano en lugar de agua. Aunque los arcoíris visibles pueden ser raros debido a los cielos brumosos de Titán, los arcoíris infrarrojos pueden ser más comunes, pero un observador necesitaría gafas de visión nocturna infrarroja para verlos.

Arcoiris con diferentes materiales

Las gotas (o esferas) compuestas de materiales con índices de refracción diferentes a los del agua corriente producen arcoíris con diferentes ángulos de radio. Dado que el agua salada tiene un índice de refracción más alto, un arco de espuma de mar no se alinea perfectamente con el arco iris ordinario, si se ve en el mismo lugar. Se pueden utilizar pequeñas canicas de plástico o vidrio en la señalización vial como reflectores para mejorar su visibilidad por parte de los conductores por la noche. Debido a un índice de refracción mucho más alto, los arcoíris observados en estas canicas tienen un radio notablemente más pequeño. Estos fenómenos se pueden reproducir fácilmente rociando en el aire líquidos de diferentes índices de refracción, como se ilustra en la fotografía.

El desplazamiento del arco iris debido a diferentes índices refractivos puede ser empujado a un límite peculiar. Para un material con un índice refractivo superior a 2, no hay ángulo que cumpla los requisitos para el arco iris de primer orden. Por ejemplo, el índice de refracción del diamante es alrededor de 2,4, por lo que las esferas del diamante producirían arco iris a partir del segundo orden, omitiendo el primer orden. En general, como el índice refractivo supera un número n + 1, donde n es un número natural, el ángulo de incidencia crítica para n tiempos reflejados internamente los rayos escapan al dominio ${\displaystyle [0,{\frac {\pi } {2}}}$. Esto resulta en un arco iris del n- el orden encogiéndose al punto antisolar y desapareciendo.

Historia científica

El erudito griego clásico Aristóteles (384-322 a. C.) fue el primero en dedicar seria atención al arco iris. Según Raymond L. Lee y Alistair B. Fraser, "A pesar de sus muchos defectos y su apelación a la numerología pitagórica, la explicación cualitativa de Aristóteles mostró una inventiva y una coherencia relativa sin igual durante siglos". Después de la muerte de Aristóteles, gran parte de la teoría del arco iris consistió en una reacción a su obra, aunque no todo fue acrítico."

En el Libro I de Naturales Quaestiones (c. 65 d.C. ), el filósofo romano Séneca el Joven analiza ampliamente varias teorías sobre la formación del arco iris, incluidas las de Aristóteles. Se da cuenta de que el arco iris aparece siempre en dirección opuesta al Sol, que aparece en el agua rociada por un remero, en el agua escupida por un batanero sobre la ropa tendida sobre clavijas o en el agua rociada a través de un pequeño agujero en una tubería reventada. Incluso habla de arcoíris producidos por pequeñas varillas (vírgulas) de vidrio, anticipando las experiencias de Newton con los prismas. Tiene en cuenta dos teorías: una, que el arco iris es producido por el Sol reflejándose en cada gota de agua, la otra, que es producido por el Sol reflejado en una nube con forma de espejo cóncavo; él favorece este último. También analiza otros fenómenos relacionados con el arco iris: las misteriosas "virgae" (bastones), halos y parhelia.

Según Hüseyin Gazi Topdemir, el físico y erudito árabe Ibn al-Haytham (Alhazen; 965-1039), intentó proporcionar una explicación científica para el fenómeno del arco iris. En su Maqala fi al-Hala wa Qaws Quzah (Sobre el arco iris y el halo), al-Haytham "explicó la formación del arco iris como una imagen, que forma en un espejo cóncavo. Si los rayos de luz provenientes de una fuente de luz más lejana se reflejan en cualquier punto sobre el eje del espejo cóncavo, forman círculos concéntricos en ese punto. Cuando se supone que el sol es la fuente de luz más lejana, el ojo del espectador como un punto en el eje del espejo y una nube como superficie reflectante, entonces se puede observar que se forman círculos concéntricos en el eje." ; No pudo verificar esto porque su teoría de que "la luz del sol es reflejada por una nube antes de llegar al ojo" no permitió una posible verificación experimental. Esta explicación fue repetida por Averroes y, aunque incorrecta, sentó las bases para las explicaciones correctas dadas más tarde por Kamāl al-Dīn al-Fārisī en 1309 y, de forma independiente, por Teodorico de Freiberg (c. 1250-c. 1311), ambos habiendo estudiado el Libro de Óptica de al-Haytham.

En la China de la dinastía Song (960-1279), un funcionario erudito llamado Shen Kuo (1031-1095) planteó la hipótesis, como lo hizo un tal Sun Sikong (1015-1076) antes que él, que los arco iris se formaban por un fenómeno de la luz del sol encuentra gotas de lluvia en el aire. Paul Dong escribe que la explicación de Shen del arco iris como un fenómeno de refracción atmosférica "está básicamente de acuerdo con los principios científicos modernos".

Según Nader El-Bizri, el astrónomo persa Qutb al-Din al-Shirazi (1236-1311), dio una explicación bastante precisa del fenómeno del arco iris. Esto fue elaborado por su alumno, Kamāl al-Dīn al-Fārisī (1267-1319), quien dio una explicación matemáticamente más satisfactoria del arco iris. "Propuso un modelo en el que el rayo de luz del sol era refractado dos veces por una gota de agua, ocurriendo uno o más reflejos entre las dos refracciones". Se llevó a cabo un experimento con una esfera de vidrio llena de agua y al-Farisi demostró que las refracciones adicionales debidas al vidrio podían ignorarse en su modelo. Como señaló en su Kitab Tanqih al-Manazir (La revisión de la óptica), al-Farisi utilizó un gran recipiente de vidrio transparente en forma de esfera, que se llenó de agua para tener un modelo experimental a gran escala de una gota de lluvia. Luego colocó este modelo dentro de una cámara oscura que tiene una apertura controlada para la introducción de luz. Proyectó luz sobre la esfera y finalmente dedujo, a través de varias pruebas y observaciones detalladas de los reflejos y refracciones de la luz, que los colores del arco iris son fenómenos de descomposición de la luz.

En Europa, el Libro de Óptica de Ibn al-Haytham fue traducido al latín y estudiado por Robert Grosseteste. Su trabajo sobre la luz fue continuado por Roger Bacon, quien escribió en su Opus Majus de 1268 sobre experimentos con luz brillante. a través de cristales y gotas de agua que muestran los colores del arco iris. Además, Bacon fue el primero en calcular el tamaño angular del arco iris. Afirmó que la cumbre del arco iris no puede aparecer a más de 42° sobre el horizonte. Se sabe que Teodorico de Freiberg dio una explicación teórica precisa tanto del arco iris primario como del secundario en 1307. Explicó el arco iris primario, señalando que "cuando la luz del sol incide sobre gotas individuales de humedad, los rayos sufren dos refracciones (al entrada y salida) y una reflexión (en la parte posterior de la gota) antes de la transmisión al ojo del observador." Explicó el arco iris secundario mediante un análisis similar que involucra dos refracciones y dos reflexiones.

Descartes' El tratado de 1637, Discurso sobre el método, avanzó aún más esta explicación. Sabiendo que el tamaño de las gotas de lluvia no parecía afectar el arco iris observado, experimentó haciendo pasar rayos de luz a través de una gran esfera de vidrio llena de agua. Al medir los ángulos en los que emergieron los rayos, concluyó que la curvatura primaria fue causada por una única reflexión interna dentro de la gota de lluvia y que una curvatura secundaria podría ser causada por dos reflexiones internas. Apoyó esta conclusión con una derivación de la ley de refracción (posteriormente a Snell, pero independientemente de ella) y calculó correctamente los ángulos de ambos arcos. Su explicación de los colores, sin embargo, se basó en una versión mecánica de la teoría tradicional de que los colores se producían mediante una modificación de la luz blanca.

Isaac Newton demostró que la luz blanca estaba compuesta por la luz de todos los colores del arco iris, que un prisma de vidrio podía separar en todo el espectro de colores, rechazando la teoría de que los colores se producían por una modificación de la luz blanca. También demostró que la luz roja se refracta menos que la luz azul, lo que llevó a la primera explicación científica de las principales características del arco iris. La teoría corpuscular de la luz de Newton no pudo explicar los arcoíris supernumerarios, y no se encontró una explicación satisfactoria hasta que Thomas Young se dio cuenta de que la luz se comporta como una onda bajo ciertas condiciones y puede interferir consigo misma.

El trabajo de Young fue perfeccionado en la década de 1820 por George Biddell Airy, quien explicó la dependencia de la fuerza de los colores del arco iris del tamaño de las gotas de agua. Las descripciones físicas modernas del arco iris se basan en la dispersión de Mie, trabajo publicado por Gustav Mie en 1908. Los avances en los métodos computacionales y la teoría óptica continúan conduciendo a una comprensión más completa del arco iris. Nussenzveig ofrece, por ejemplo, una visión moderna.

Experimentos

Los experimentos sobre el fenómeno del arco iris utilizando gotas de lluvia artificiales, es decir, matraces esféricos llenos de agua, se remontan al menos a Teodorico de Freiberg en el siglo XIV. Posteriormente, también Descartes estudió el fenómeno utilizando un matraz de Florencia. El experimento del matraz, conocido como el arco iris de Florencia, todavía se utiliza a menudo como experimento de demostración imponente e intuitivamente accesible del fenómeno del arco iris. Consiste en iluminar (con luz blanca paralela) un matraz esférico lleno de agua a través de un orificio practicado en una pantalla. Luego aparecerá un arco iris proyectado hacia atrás en la pantalla, siempre que la pantalla sea lo suficientemente grande. Debido al espesor finito de la pared y al carácter macroscópico de la gota de lluvia artificial, existen varias diferencias sutiles en comparación con el fenómeno natural, incluidos los ángulos del arco iris ligeramente modificados y una división de los órdenes del arco iris.

Un experimento muy similar consiste en utilizar un recipiente de vidrio cilíndrico lleno de agua o un cilindro sólido transparente e iluminado paralelamente a la base circular (es decir, los rayos de luz permanecen a una altura fija mientras transitan por el cilindro) o bajo un ángulo para la base. En estas últimas condiciones, los ángulos del arco iris cambian en relación con el fenómeno natural, ya que cambia el índice de refracción efectivo del agua (se aplica el índice de refracción de Bravais para rayos inclinados).

Otros experimentos utilizan pequeñas gotas de líquido (ver el texto arriba).

Cultura y mitología

Los arcoíris aparecen con frecuencia en la mitología y se han utilizado en las artes. La primera aparición literaria de un arco iris se encuentra en el capítulo 9 del Libro del Génesis, como parte de la historia del diluvio de Noé, donde es una señal del pacto de Dios de no volver a destruir toda la vida en la Tierra con un diluvio global. En la mitología nórdica, el puente arcoíris Bifröst conecta el mundo de los hombres (Midgard) y el reino de los dioses (Asgard). Cuchavira era el dios del arco iris para los muiscas en la actual Colombia y cuando terminaron las lluvias regulares en la sabana de Bogotá la gente le agradeció ofreciéndole oro, caracoles y pequeñas esmeraldas. Algunas formas de budismo tibetano o Dzogchen hacen referencia a un cuerpo de arcoíris. Se suele decir que el escondite secreto del duende irlandés para su olla de oro está al final del arco iris. Este lugar es obviamente imposible de alcanzar, porque el arco iris es un efecto óptico al que no se puede acceder. En la mitología griega, la diosa Iris es la personificación del arcoíris, una diosa mensajera que, al igual que el arcoíris, conecta el mundo mortal con los dioses a través de mensajes.

En heráldica, el arco iris propiamente dicho consta de 4 bandas de color (argenta, gules o y vert) con los extremos descansando sobre las nubes. Los ejemplos generalizados en escudos de armas incluyen los de las ciudades de Regen y Pfreimd, ambas en Baviera, Alemania; de Bouffémont, Francia; y del 69.º Regimiento de Infantería (Nueva York) de la Guardia Nacional del Ejército de Estados Unidos.

Las banderas arcoíris se han utilizado durante siglos. Era un símbolo del movimiento cooperativo entre los campesinos alemanes. La guerra del siglo XVI, la paz en Italia y el orgullo LGBT y los movimientos sociales LGBT; la bandera del arco iris como símbolo del orgullo LGBT y el mes del orgullo de junio desde que fue diseñada por Gilbert Baker en 1978. En 1994, el arzobispo Desmond Tutu y el presidente Nelson Mandela describieron a la recién democrática Sudáfrica post-apartheid como la nación del arco iris. El arcoíris también se ha utilizado en logotipos de productos tecnológicos, incluido el logotipo de la computadora Apple. Muchas alianzas políticas que abarcan múltiples partidos políticos se han autodenominado "Coalición Arcoíris".

Señalar el arcoíris se ha considerado un tabú en muchas culturas.

En Arabia Saudita y otros países con ideas similares, las autoridades confiscan la ropa de los niños (incluidos sombreros, pinzas para el cabello, estuches para lápices, etc.) y juguetes si tienen los colores del arcoíris, alegando que pueden fomentar la homosexualidad. y vender dichos artículos es ilegal.