22 de marzo de 2009

Arco Iris* L´arcu la vieya* Rainbow* Arco da vella* 虹



video
Impresionante vídeo de un arco iris (circular) observado en Galicia. Fue captado desde un generador de un parque eólico.

El arco iris es un 'conjunto ordenado' de arcos monocromáticos dispuestos de manera circular, que comparten el mismo centro. Aparece en el cielo cuando llueve.
Cuando estamos viendo un arco iris siempre tenemos el Sol a nuestra espalda. La lluvia está formando una cortina delante de nosotros a modo de pantalla, y sobre ella podemos verlo. Para que exista un arco iris es imprescindible que haya gotas de agua suspendidas en la atmósfera. El centro común a todos los arcos mono-color estará frente a nosotros, por debajo de nuestra línea de suelo.



Para que podamos ver ‘los colores del arco iris’ es necesario que la luz incida (1) y recorra un cierto tiempo la gota de agua. Una vez que la luz está dentro de la gota de agua (aire-agua = refracción) vuelve a encontrarse con un cambio de medio (2), en este caso agua-aire, por lo que parte de la luz pasará de largo y volverá al aire y parte de ella volverá hacia atrás (agua-agua, reflexión) a través de la gota (3). Una vez hecho esto se volverá a encontrar la frontera agua-aire y por tanto parte de la luz que aún queda saldrá y podrá llegar hasta nosotros, será el arco iris primario.





Animación que explica cómo se generan los distintos arcos monocromáticos del arco iris: Física del arco iris


La gota descompone el rayo de luz que proviene del Sol, en todos sus colores, al mismo tiempo que lo desvía. La gota actúa como lo haría un prisma: la primera refracción separa los colores que contiene el rayo de luz y la segunda refracción incrementa aún más esta separación.
Cuando esta reflexión / refracción se produce en millones de gotas suspendidas en el aire se forma un arco de colores en el cielo (varios arcos monocromáticos concéntricos). Cada gota sólo nos transmitirá la frecuencia de un solo color. El grupo de gotas que se ve del mismo color se situará sobre una misma circunferencia.

Pero el número de reflexiones internas (4), agua-agua, puede ser mayor de dos (dependiendo de por donde haya entrado el rayo de luz en la gota) y esto dará lugar a la aparición de dos arco iris: el arco iris primario (de colores más vivos e interior) y el arco iris secundario (de colores más débiles y exterior).

La pureza de los colores viene determinada por el grado de ‘superposición’ de los arcos iris monocromáticos, que a su vez queda determinada a partir del tamaño de las gotas. Las gotas grandes (unos cuantos milímetros) dan colores de arco iris muy puros (nítidos). Gotas pequeñas (del orden de 0.01 mm) superponen mucho los colores y resulta un arco iris casi blanco.


La dispersión de la luz dentro de las gotas se debe a que los diferentes colores tienen diferentes índices de refracción pero también es muy importante, para explicar el arco iris multicolor, saber que la dirección de la luz refractada depende de la dirección de los rayos que impactan en la gota y su posición. Todos los colores se refractan formando un cono de color cuyo eje es paralelo al rayo de luz que procede del Sol e incide en la gota.
El rayo de luz que viene del Sol y la línea imaginaria que va del observador al centro del arco iris son paralelas y por lo tanto vemos que el rayo rojo forma 42º(apróx) con la horizontal.





Nuestros ojos interceptan los colores separados que parten de las gotas de lluvia, los rayos rojos forman con los rayos de luz blanca incidentes ángulos ligeramente superiores [42º ] que los que forman los rayos azules [40º].



Lo que vemos en el arco iris es un arco de colores con el rojo situado en la parte exterior, y los demás colores: naranja, amarillo, verde y finalmente el azul que está en la parte interior del arco.

La razón por la que el arco iris dibuja en el cielo un arco de círculo es que el ángulo entre la luz solar incidente y la luz refractada de cualquier color es necesariamente el mismo para cada gota, siendo en el arco iris primario mayor para la luz roja [42º], por eso se abre más, y menor para la luz violeta [40º ]. Para que estos ángulos se mantengan visibles a nuestros ojos las gotas que los envían deben estar describiendo una circunferencia, conservando la medida de dicho ángulo respecto del eje imaginario de un cono con base el círculo descrito, y cuyo vértice somos nosotros mismos.

Como el ángulo para ver el arco iris siempre es de 42º(apróx), cuanto más 'bajo' esté el Sol más alto se ve el arco iris, llegando a convertirse el arco visible en una circunferencia cuando el Sol está sobre el horizonte.

Para observar un arco iris que describa una circunferencia completa (360º), será necesario que nosotros estemos elevados suficientemente del suelo, como para poder observar la parte inferior del cono. Es el caso del arco iris que se muestra en el vídeo inicial de esta entrada.


Si el rayo de luz que incide sobre la gota de agua realiza dos refracciones y tres reflexiones internas, el resultado es la formación de un arco iris secundario de colores invertidos, más débil y que queda por encima del arco iris primario. Su debilitamiento se debe a la luz que se refracta y sale al exterior en cada reflexión interna.

Los ángulos que forman los rayos incidente y refractado hacia el ojo son mayores en el arco iris secundario: 50 º para la luz roja y 54º para la violeta. El orden de los colores en el arco iris secundario está invertido debido a la doble reflexión interna.

La zona situada entre los dos arco iris es menos luminosa que el resto del cielo. El primero que observó este hecho fue Alejandro de Afrodisia y en su honor se llama zona oscura de Alejandro.

Muchas de las características del arco iris fueron explicadas por Aristóteles. Y hace más de tres siglos que Isaac Newton logró demostrar la descomposición de la luz blanca.

La 'Teoría Elemental del arco iris' es anterior a Newton. Desarrollada primero por Antonius de Demini en 1611, fue retomada por Descartes. Posteriormente, la 'Teoría Completa del arco iris' fue propuesta en forma inicial por Thomas Young y, más tarde, elaborada en detalle por Richard Potter y George Biddell Airy.

3 comentarios:

tikitaka dijo...

la verda es que te has currao un post bonito, pero no puedo ver el video, se me queda un cuadradote en blanco.

Anónimo dijo...

tu trabajo es excelente, estoy presentando esta semana un proyecto de ciencias con niños de 1°año de la escuel primaria sobre la descomposicion de la luz...y si puedo bajar el trabajo lo mostrare durante la exposición...

nieves dijo...

Pues me alegro si te sirve para explicarles a los niños un fenómeno tan enigmático como sencillo de entender.
A mí lo que más me impacta es pensar que el arco iris no existe por sí mismo, las gotitas de agua "nos necesitan" para que las miremos con un determinado ángulo y así generar un efecto óptico precioso.
Un saludo