Un arcoíris 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. [1] El arcoíris tiene la forma de un arco circular multicolor . [2] 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. Estas incluyen no solo la lluvia, sino también la niebla, el rocío y el rocío en el aire .
Los arcoíris pueden ser círculos completos. Sin embargo, el observador normalmente solo ve un arco formado por gotitas iluminadas sobre el suelo [3] y centrado en una línea que va desde el Sol hasta el ojo del observador.
En un arcoíris primario, el arco se muestra rojo en la parte exterior y violeta en la parte interior. Este arcoíris se produce cuando la luz 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 arcoíris doble, se ve un segundo arco fuera del arco principal, y el orden de sus colores está 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.
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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 suelen verse en el cielo occidental durante la mañana y en el cielo oriental durante las primeras horas de la tarde. Los espectáculos de arcoíris más espectaculares ocurren cuando la mitad del cielo todavía está oscuro con nubes lloviendo y el observador está en un lugar con cielo despejado en la dirección del sol. El resultado es un arcoíris luminoso que contrasta con el fondo oscuro. Durante esas buenas condiciones de visibilidad, a menudo se puede ver el arcoíris secundario, más grande pero más tenue. Aparece unos 10° fuera del arcoíris primario, con el orden inverso de colores.
El efecto arcoíris también se observa con frecuencia 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 arcoíris lunar o un arcoíris nocturno en noches con mucha luz de luna. Como la percepción visual humana del color es deficiente en condiciones de poca luz, los arcoíris lunares suelen percibirse como blancos. [4]
Resulta difícil fotografiar el semicírculo completo de un arcoíris en una sola imagen, ya que para ello se necesita un ángulo de visión de 84°. Para una cámara de 35 mm , se necesitaría un objetivo gran angular con una distancia focal de 19 mm o menos. Ahora que hay disponible un software para unir varias imágenes en una panorámica , se pueden crear imágenes de todo el arco e incluso de arcos secundarios con bastante facilidad a partir de una serie de imágenes superpuestas.
Desde arriba de la Tierra, por ejemplo desde un avión, a veces es posible ver un arcoíris como un círculo completo. Este fenómeno puede confundirse con el fenómeno de la gloria , pero esta última suele ser mucho más pequeña y abarca solo entre 5 y 20°.
El cielo dentro de un arcoíris primario es más brillante que el cielo fuera del arcoíris. Esto se debe a que cada gota de lluvia es una esfera y dispersa la luz sobre un disco circular entero 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, lo que da como resultado una luz blanca que ilumina el cielo. En el borde, la dependencia de la longitud de onda de la dispersión da lugar al arcoíris. [5]
La luz de un arco iris primario está polarizada en un 96% tangencialmente al arco. [6] La luz del segundo arco está polarizada en un 90%.
Para los colores percibidos por el ojo humano, la secuencia más citada y recordada es la séptuple de Isaac Newton : rojo, naranja, amarillo, verde, azul, índigo y violeta, [7] [a] recordada por la mnemotecnia Richard Of York Gave Battle In Vain, o como el nombre de una persona ficticia ( Roy G. Biv ). A veces se hace referencia al acrónimo en orden inverso, como VIBGYOR. Más modernamente, el arcoíris a menudo se divide en rojo, naranja, amarillo, verde, cian, azul y violeta. [9] 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, que admitió que sus ojos no eran muy críticos para distinguir los colores, [10] originalmente (1672) dividió el espectro en cinco colores principales: rojo , amarillo , verde , azul y violeta . Más tarde incluyó el naranja y el índigo , dando siete colores principales por analogía con el número de notas en una escala musical. [7] [b] [11] Newton eligió dividir el espectro visible en siete colores a partir de 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 en el Sistema Solar y los días de la semana. [12] [13] Los académicos han señalado que lo que Newton consideraba en ese momento como "azul" hoy se consideraría cian , y lo que Newton llamó "índigo" hoy se consideraría azul . [8] [9] [14]
El patrón de color de un arcoíris es diferente de un espectro, y los colores están menos saturados. Hay manchas espectrales en un arcoíris ya que, para cualquier longitud de onda particular, hay una distribución de ángulos de salida, en lugar de un único ángulo invariable. [15] Además, un arcoíris es una versión borrosa del arco obtenido de una fuente puntual, porque el diámetro del disco del sol (0,533°) no se puede descuidar en comparación con el ancho de un arcoíris (2,36°). Además, el rojo del primer arcoíris suplementario se superpone al violeta del arcoíris 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 arcoíris puede ser diferente del número de bandas en un espectro, especialmente si las gotas son particularmente grandes o pequeñas. Por lo tanto, el número de colores de un arcoíris es variable. Sin embargo, si la palabra arcoíris se usa incorrectamente para significar espectro , es el número de colores principales en el espectro.
Además, los arcoíris tienen bandas más allá del rojo y el violeta en las respectivas regiones del infrarrojo cercano y ultravioleta , sin embargo, estas bandas no son visibles para los humanos. Solo las frecuencias cercanas de estas regiones al espectro visible están incluidas en los arcoíris, 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 las cámaras que utilizan película en blanco y negro. [16]
La cuestión de si todo el mundo ve siete colores en un arcoíris está relacionada con la idea de la relatividad lingüística . Se ha sugerido que existe universalidad en la forma en que se percibe un arcoíris. [17] [18] Sin embargo, investigaciones más recientes sugieren que la cantidad de colores distintos observados y cómo se denominan estos dependen del idioma que se utiliza, y las personas cuyo idioma tiene menos palabras sobre colores ven menos bandas de colores discretas. [19]
Cuando la luz del sol choca con 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 golpea la parte posterior de la gota de lluvia, parte de ella se refleja en la parte posterior. Cuando la luz reflejada internamente alcanza la superficie nuevamente, una vez más, parte se refleja internamente y parte se refracta al salir de la gota. (La luz que se refleja en la gota, sale por la parte posterior o continúa rebotando dentro de la gota después del segundo encuentro con la superficie, no es relevante para la formación del arcoíris primario). El efecto general es que parte de la luz entrante se refleja de regreso en el rango de 0° a 42°, con la luz más intensa a 42°. [20] Este ángulo es independiente del tamaño de la gota, pero 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 menor que el de un arcoíris verdadero. Esto es visible a simple vista por una desalineación de estos arcos. [21]
La razón por la que la luz que regresa es más intensa alrededor de los 42° es que este es un punto de inflexión: la luz que golpea el anillo más externo de la gota regresa a menos de 42°, al igual que la luz que golpea la gota más cercana a su centro. Hay una banda circular de luz que regresa toda alrededor de los 42°. Si el Sol fuera un láser que emitiera rayos paralelos y monocromáticos, entonces la luminancia (brillo) del arco tendería hacia el infinito en este ángulo si se ignoran los efectos de interferencia . Pero como la luminancia del Sol es finita y sus rayos no son todos paralelos (cubre aproximadamente medio grado del cielo) la luminancia no tiende al infinito. Además, la cantidad en que se refracta la luz depende de su longitud de onda y, por lo tanto, de su color. Este efecto se llama dispersión . La luz azul (de longitud de onda más corta) se refracta en un ángulo mayor que la luz roja, pero debido a la reflexión de los rayos de luz desde la parte posterior de la gota, la luz azul emerge de la gota en un ángulo menor que la luz roja con respecto al rayo de luz blanca incidente original. Debido a este ángulo, el azul se ve en el interior del arco del arco iris primario y el rojo en el exterior. El resultado de esto no es solo dar diferentes colores a las 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 que sale por detrás de la gota de lluvia no sufre una reflexión interna total , y la mayor parte de la luz sale por detrás. Sin embargo, la luz que sale por detrás de la gota de lluvia no crea un arcoíris entre el observador y el Sol porque los espectros emitidos desde detrás de la gota de lluvia no tienen un máximo de intensidad, como los otros arcoíris visibles, y por lo tanto los colores se mezclan en lugar de formar un arcoíris. [22]
El arcoíris no existe en un lugar determinado. Existen muchos arcoíris, pero solo uno puede verse según el punto de vista del observador en particular, como gotitas de luz iluminadas por el sol. Todas las gotas de lluvia refractan y reflejan la luz solar de la misma manera, pero solo la luz de algunas gotas de lluvia llega al ojo del observador. Esta luz es lo que constituye el arcoíris 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 es paralelo a los rayos del sol. El arcoíris 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 que apunta al sol con el observador en la punta. La base del cono forma un círculo en un ángulo de 40–42° con 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 de la superficie de la Tierra para verlo todo, por ejemplo en un avión (ver más abajo). [23] [24] Alternativamente, un observador con el punto de observación correcto puede ver el círculo completo en una fuente o cascada. [25] Por el contrario, en latitudes más bajas cerca del mediodía (específicamente, cuando la elevación del sol excede los 42 grados) un arcoíris no será visible contra el cielo. [26] [27] [28] [ se necesita una mejor fuente ]
Es posible determinar el ángulo percibido que subtiende el arco iris de la siguiente manera. [29]
Dada una gota de lluvia esférica, y definiendo el ángulo percibido del arco iris como 2 φ y el ángulo de reflexión interna como 2 β , entonces el ángulo de incidencia de los rayos del Sol con respecto a la normal a la superficie de la gota es 2 β − φ . Como el ángulo de refracción es β , la ley de Snell nos da
donde n = 1,333 es el índice de refracción del agua. Resolviendo para φ , obtenemos
El arcoíris se formará donde el ángulo φ sea máximo con respecto al ángulo β . Por lo tanto, a partir del cálculo , podemos establecer dφ / dβ = 0 y resolver para β , lo que da como resultado
Sustituyendo nuevamente φ en la ecuación anterior, obtenemos 2 φ max ≈ 42° como el ángulo del radio del arco iris.
Para la luz roja (longitud de onda 750 nm, n = 1,330 según la relación de dispersión del agua ), el ángulo del radio es 42,5°; para la luz azul (longitud de onda 350 nm, n = 1,343 ), el ángulo del radio es 40,6°.
A menudo se puede ver un arcoíris secundario, en un ángulo mayor que el arcoíris primario. Se utiliza el término arcoíris doble cuando se pueden ver tanto el arcoíris primario como el secundario. En teoría, todos los arcoíris son arcoíris dobles, pero como el arcoíris secundario siempre es más débil que el primario, puede ser demasiado débil para detectarlo en la práctica.
Los arcoíris secundarios se originan por una doble reflexión de la luz solar en el interior de las gotas de agua. Técnicamente, el arcoíris secundario está centrado en el propio sol, pero como su tamaño angular es superior a 90° (unos 127° para el violeta y 130° para el rojo), se ve en el mismo lado del cielo que el arcoíris primario, unos 10° fuera de él en un ángulo aparente de 50–53°. Como el "interior" del arcoíris secundario está "arriba" hacia el observador, los colores aparecen invertidos en comparación con los del arcoíris primario.
El arcoíris secundario es más débil que el primario porque se escapa más luz de dos reflexiones en comparación con una y porque el arcoíris en sí se extiende sobre una mayor área del cielo. Cada arcoíris refleja luz blanca dentro de sus bandas de colores, pero eso es "abajo" para el primario y "arriba" para el secundario. [30] La zona 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. [31]
A diferencia de un arcoíris doble que consiste en dos arcoíris separados y concéntricos, el muy raro arcoíris maclado aparece como dos arcoíris que se dividen a partir de una única base. [32] Los colores del segundo arcoíris, en lugar de invertirse como en un arcoíris secundario, aparecen en el mismo orden que el arcoíris primario. También puede estar presente un arcoíris secundario "normal". Los arcoíris maclados pueden parecer similares a las bandas supernumerarias, pero no deben confundirse. Los dos fenómenos pueden distinguirse por su diferencia en el perfil de color: las bandas supernumerarias consisten en tonos pastel tenues (principalmente rosa, violeta y verde), mientras que el arcoíris maclado muestra el mismo espectro que un arcoíris normal. Se cree que la causa de un arcoíris maclado es la combinación de diferentes tamaños de gotas de agua que caen del cielo. Debido a la resistencia del aire, las gotas de lluvia se aplanan al caer, y el aplanamiento es más prominente en las gotas de agua más grandes. Cuando se combinan dos lluvias con gotas de lluvia de diferentes tamaños, cada una produce arcoíris ligeramente diferentes que pueden combinarse y formar un arcoíris maclado. [33] Un estudio de trazado numérico de rayos mostró que un arcoíris maclado en una fotografía podía explicarse por una mezcla de gotas de 0,40 y 0,45 mm. Esa pequeña diferencia en el tamaño de las gotas dio como resultado una pequeña diferencia en el aplanamiento de la forma de la gota y una gran diferencia en el aplanamiento de la parte superior del arcoíris. [34]
Mientras tanto, el caso aún más raro de un arcoíris dividido en tres ramas fue observado y fotografiado en la naturaleza. [35]
En teoría, cada arcoíris es un círculo, pero desde el suelo, por lo general, solo se puede ver su mitad superior. Dado que el centro del arcoíris está diametralmente opuesto a la posición del Sol en el cielo, se puede ver una mayor 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 aproximadamente el 50% durante el atardecer o el amanecer. Ver la mitad inferior del arcoíris requiere la presencia de gotas de agua debajo del horizonte del observador, así como la luz solar que pueda alcanzarlas. Estos requisitos no suelen cumplirse cuando el observador está al nivel del suelo, ya sea porque no hay gotas en la posición requerida o porque la luz solar está obstruida por el paisaje detrás del observador. Sin embargo, desde un punto de vista alto, como un edificio alto o un avión, se pueden cumplir los requisitos y se puede ver el arcoíris de círculo completo. [36] [37] Al igual que un arcoíris parcial, el arcoíris circular también puede tener un arco secundario o arcos supernumerarios. [38] Es posible producir el círculo completo estando de pie en el suelo, por ejemplo rociando un poco de agua con una manguera de jardín mientras se está de espaldas al sol. [39]
No debe confundirse un arcoíris circular con la gloria , que tiene un diámetro mucho menor y se crea mediante diferentes procesos ópticos. En las circunstancias adecuadas, una gloria y un arcoíris (circular) o arco de niebla pueden aparecer juntos. Otro fenómeno atmosférico que puede confundirse con un "arcoíris circular" es el halo de 22° , que está causado por cristales de hielo en lugar de gotas de agua líquida y se encuentra alrededor del Sol (o la Luna), no frente a él.
En determinadas circunstancias, se pueden ver una o varias bandas estrechas y de color tenue bordeando el borde violeta de un arcoíris; es decir, dentro del arcoíris primario o, mucho más raramente, fuera del secundario. Estas bandas adicionales se denominan arcoíris supernumerarios o bandas supernumerarias ; junto con el arcoíris en sí, el fenómeno también se conoce como arcoíris apilador . Los arcoíris supernumerarios están ligeramente separados del arcoíris principal, se vuelven sucesivamente más tenues a medida que se alejan de él y tienen colores pastel (que consisten principalmente en tonos rosados, púrpuras y verdes) en lugar del patrón de espectro habitual. [40] El efecto se hace 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. [41] Debido a su origen en gotas pequeñas, las bandas supernumerarias tienden a ser particularmente prominentes en los arcoíris de niebla. [42]
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 a través de interferencia constructiva , creando una banda brillante; otros están desfasados hasta en media longitud de onda, cancelándose entre sí a través de interferencia destructiva y creando un espacio. Dados los diferentes ángulos de refracción de los rayos de diferentes colores, los patrones de interferencia son ligeramente diferentes para los rayos de diferentes colores, por lo que cada banda brillante se diferencia en color, creando un arcoíris en miniatura. Los arcoíris supernumerarios son más claros cuando las gotas de lluvia son pequeñas y de tamaño uniforme. La propia existencia de arcoíris supernumerarios fue históricamente una primera indicación de la naturaleza ondulatoria de la luz, y la primera explicación fue proporcionada por Thomas Young en 1804. [43]
Cuando aparece un arcoíris sobre una masa de agua, pueden verse dos arcos de espejo complementarios debajo y encima del horizonte, que se originan a partir de diferentes trayectorias de luz. Sus nombres son ligeramente diferentes.
Un arcoíris reflejado puede aparecer en la superficie del agua por debajo del horizonte. [44] La luz del sol es desviada primero por las gotas de lluvia y luego reflejada en el cuerpo de agua, antes de llegar al observador. El arcoíris reflejado es frecuentemente visible, al menos parcialmente, incluso en pequeños charcos.
Un arcoíris de reflexión puede formarse 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 grande, tranquila en toda su superficie y está cerca de la cortina de lluvia. El arcoíris de reflexión aparece por encima del horizonte. Intersecta el arcoíris normal en el horizonte y su arco alcanza una altura mayor en el cielo, con su centro tan alto por encima del horizonte como el centro del arcoíris normal está por debajo de él. Los arcos de reflexión suelen ser más brillantes cuando el sol está bajo porque en ese momento su luz se refleja con mayor fuerza en las superficies del agua. A medida que el sol baja, los arcos normal y de reflexión se acercan. Debido a la combinación de requisitos, rara vez se ve un arcoíris de reflexión.
Se pueden distinguir hasta ocho arcos separados si los arcos iris 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 los arcos primarios y secundarios de reflexión sobre el horizonte (5, 6) con sus contrapartes reflejadas debajo de él (7, 8). [45] [46]
Ocasionalmente, puede producirse una lluvia de estrellas al amanecer o al atardecer, en la que las longitudes de onda más cortas, como el azul y el verde, se dispersan y prácticamente se eliminan del espectro. Puede producirse una mayor dispersión debido a la lluvia, y el resultado puede ser el raro y espectacular arcoíris monocromático o rojo. [47]
Además de los arcoíris primarios y secundarios comunes, también es posible que se formen arcoíris de órdenes superiores. El orden de un arcoíris está determinado por el número de reflejos de luz dentro de las gotas de agua que lo crean: un reflejo da como resultado el arcoíris de primer orden o primario ; dos reflexiones crean el arcoíris de segundo orden o secundario . Más reflexiones internas causan arcos de órdenes superiores, teóricamente hasta el infinito. [48] 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 en la observación de los arcoíris de tercer orden (o terciario ) y cuarto orden ( cuaternario ) es su ubicación en la dirección del sol (a unos 40° y 45° del sol, respectivamente), lo que hace que se ahoguen en su resplandor. [49]
Por estas razones, los arcoíris naturales de un orden superior a 2 rara vez son visibles a simple vista. Sin embargo, se han reportado avistamientos del arcoíris de tercer orden en la naturaleza, y en 2011 fue fotografiado definitivamente por primera vez. [50] [51] Poco después, también se fotografió el arcoíris de cuarto orden, [52] [53] y en 2014 se publicaron las primeras imágenes del arcoíris de quinto orden (o quinario ). [54] El arcoíris quinario se encuentra parcialmente en el espacio entre los arcoíris primario y secundario y es mucho más débil incluso que el secundario. En un entorno de laboratorio, es posible crear arcos de órdenes mucho más altos. Felix Billet (1808-1882) describió posiciones angulares hasta el arcoíris de 19.º orden, un patrón que llamó "rosa de arcoíris". [55] [56] [57] En el laboratorio, es posible observar arcoíris de orden superior utilizando luz extremadamente brillante y bien colimada producida por láseres . En 1998, Ng et al. informaron sobre el arcoíris de orden 200 utilizando un método similar pero con un haz láser de iones de argón. [58]
Los arcoíris terciarios y cuaternarios no deben confundirse con los arcoíris "triples" y "cuádruples", términos que a veces se utilizan erróneamente para referirse a los arcoíris supernumerarios y de reflexión (mucho más comunes).
Como la mayoría de los fenómenos ópticos atmosféricos, los arcoíris pueden ser causados por la luz del Sol, pero también de la Luna. En este último caso, el arcoíris se conoce como arcoíris lunar o arco lunar . Son mucho más tenues y raros que los arcoíris solares, y requieren que la Luna esté casi llena para poder verlos. Por la misma razón, los arcoíris 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 mostrarán el color en este tipo de arcoíris. [59]
Los arcos de niebla se forman de la misma manera que los arcoíris, pero están formados por nubes y gotitas de niebla mucho más pequeñas que difractan la luz en gran medida. Son casi blancos con rojos tenues en el exterior y azules en el interior; a menudo se pueden distinguir una o más bandas supernumerarias anchas dentro del borde interior. Los colores son tenues porque el arco de cada color es muy ancho 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 está frío, pero se pueden encontrar en cualquier lugar si la niebla es lo suficientemente fina como para que brille el sol y este es bastante brillante. Son muy grandes, casi tan grandes como un arcoíris y mucho más anchos. A veces aparecen con una gloria en el centro del arco. [60]
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), [61] aunque no están relacionados con los arcoíris.
Un arcoíris de aguanieve se forma de la misma manera que un arcoíris típico, con la excepción de que ocurre cuando la luz pasa a través de aguanieve (bolitas de hielo) que cae en lugar de agua líquida. A medida que la luz pasa a través del aguanieve, la luz se refracta causando este fenómeno poco común. Estos se han documentado en todo Estados Unidos; el primer arcoíris de aguanieve documentado y fotografiado públicamente se observó en Richmond, Virginia, el 21 de diciembre de 2012. [62] Al igual que los arcoíris normales, estos también pueden presentarse en varias formas; el 7 de enero de 2016 se documentó un arcoíris de aguanieve monocromático en Valparaíso, Indiana. [ cita requerida ]
Los arcos circuncenital y circunhorizontal son dos fenómenos ópticos relacionados que tienen una apariencia similar a la del arcoíris, pero a diferencia de este último, su origen se encuentra en la refracción de la luz a través de cristales de hielo hexagonales en lugar de gotitas de agua líquida. Esto significa 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 "arcoíris al revés"); el arco circunhorizontal corre mucho más cerca del horizonte, es más recto y está ubicado a una distancia significativa debajo del Sol (o la Luna). Ambos arcos tienen su lado rojo apuntando hacia el Sol y su parte violeta en dirección opuesta a 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. [63] [64]
El arco circunhorizontal se conoce a veces con el nombre poco apropiado de "arcoíris de fuego". Para poder verlo, el Sol o la Luna deben estar al menos a 58° sobre el horizonte, lo que lo convierte en una ocurrencia poco común en latitudes más altas. El arco circuncenital, visible solo a una elevación solar o lunar de menos de 32°, es mucho más común, pero a menudo se pasa por alto ya que ocurre casi directamente sobre nuestras cabezas.
Se ha sugerido que podrían existir arcoíris en la luna Titán de Saturno , ya que tiene una superficie mojada y nubes húmedas. El radio de un arcoíris en Titán sería de unos 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 infrarrojas para verlos. [65]
Las gotitas (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 arcoíris de rocío marino no se alinea perfectamente con el arcoíris ordinario, si se ve en el mismo lugar. [66] Se pueden utilizar pequeñas canicas de plástico o de vidrio en la señalización vial como reflectores para mejorar su visibilidad por los conductores durante la noche. Debido a un índice de refracción mucho más alto, los arcoíris observados en dichas canicas tienen un radio notablemente menor. [67] Uno puede reproducir fácilmente estos fenómenos rociando líquidos de diferentes índices de refracción en el aire, como se ilustra en la foto.
El desplazamiento del arcoíris debido a diferentes índices de refracción puede llevarse a un límite peculiar. Para un material con un índice de refracción mayor que 2, no existe ningún ángulo que cumpla los requisitos para el arcoíris de primer orden. Por ejemplo, el índice de refracción del diamante es de aproximadamente 2,4, por lo que las esferas de diamante producirían arcoíris a partir del segundo orden, omitiendo el primer orden. En general, como el índice de refracción excede un número n + 1 , donde n es un número natural , el ángulo de incidencia crítico para n veces los rayos reflejados internamente escapa del dominio . Esto da como resultado un arcoíris de orden n que se encoge hasta el punto antisolar y desaparece.
El erudito griego clásico Aristóteles (384-322 a. C.) fue el primero en dedicar una atención seria al arcoíris. [68] Según Raymond L. Lee y Alistair B. Fraser, "A pesar de sus muchos defectos y su atractivo para la numerología pitagórica, la explicación cualitativa de Aristóteles mostró una inventiva y una consistencia relativa que no tuvo parangón durante siglos. Después de la muerte de Aristóteles, gran parte de la teoría del arcoíris consistió en una reacción a su trabajo, aunque no toda fue acrítica". [69]
En el Libro I de Naturales Quaestiones ( c. 65 d. C. ), el filósofo romano Séneca el Joven analiza extensamente varias teorías sobre la formación del arcoíris, incluidas las de Aristóteles. Observa que los arcoíris aparecen siempre opuestos al Sol, que aparecen en el agua rociada por un remero, en el agua escupida por un batanero sobre la ropa tendida en perchas o por el agua rociada a través de un pequeño orificio en una tubería reventada. Incluso habla de arcoíris producidos por pequeñas varillas (vírgulas) de vidrio, anticipándose a las experiencias de Newton con prismas. Tiene en cuenta dos teorías: una, que el arcoíris se produce por el Sol reflejándose en cada gota de agua, la otra, que se produce por el Sol reflejado en una nube con forma de espejo cóncavo ; se inclina por esta última. También analiza otros fenómenos relacionados con los arcoíris: las misteriosas "virgas" (varillas), los halos y los parhelios . [70]
Según Hüseyin Gazi Topdemir, el físico y erudito árabe Ibn al-Haytham (965-1039 d. C.) 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 se forma en un espejo cóncavo. Si los rayos de luz que vienen de una fuente de luz más lejana se reflejan en cualquier punto del eje del espejo cóncavo, forman círculos concéntricos en ese punto. Cuando se supone que el sol es una fuente de luz más lejana, el ojo del observador es un punto en el eje del espejo y una nube es una superficie reflectante, entonces se puede observar que los círculos concéntricos se forman en el eje". [ cita requerida ] No pudo verificar esto porque su teoría de que "la luz del sol se refleja en una nube antes de llegar al ojo" no permitía una posible verificación experimental . [71] Esta explicación fue repetida por Averroes , [ cita requerida ] y, aunque incorrecta, proporcionó las bases para las explicaciones correctas dadas posteriormente por Kamāl al-Dīn al-Fārisī en 1309 y, de forma independiente, por Teodorico de Freiberg (c. 1250–c. 1311) [ cita requerida ] —ambos habían estudiado el Libro de óptica de al-Haytham . [72]
En la dinastía Song de China (960-1279), un funcionario y erudito erudito llamado Shen Kuo (1031-1095) planteó la hipótesis (como lo hizo antes que él un tal Sun Sikong (1015-1076)) de que los arcoíris se formaban por un fenómeno en el que la luz del sol se encontraba con gotas de lluvia en el aire. [73] Paul Dong escribe que la explicación de Shen del arcoíris como un fenómeno de refracción atmosférica "está básicamente de acuerdo con los principios científicos modernos". [74]
Según Nader El-Bizri, el astrónomo persa Qutb al-Din al-Shirazi (1236-1311) dio una explicación bastante precisa del fenómeno del arcoíris, que fue ampliada por su alumno Kamāl al-Dīn al-Fārisī (1267-1319), quien dio una explicación matemáticamente más satisfactoria del arcoíris. "Propuso un modelo en el que el rayo de luz del sol era refractado dos veces por una gota de agua, produciéndose una o más reflexiones entre las dos refracciones". Se realizó 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. [71] [c] 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 estaba lleno 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 varios ensayos 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 brillando a través de cristales y gotas de agua que mostraban los colores del arco iris. [75] Además, Bacon fue el primero en calcular el tamaño angular del arco iris. Afirmó que la cima del arco iris no puede aparecer a más de 42° sobre el horizonte. [76] Se sabe que Teodorico de Freiberg dio una explicación teórica precisa de los arcoíris primario y secundario en 1307. Explicó el arcoíris primario, señalando que "cuando la luz del sol cae sobre gotas individuales de humedad, los rayos experimentan dos refracciones (al ingresar y salir) y una reflexión (en la parte posterior de la gota) antes de transmitirse al ojo del observador". [77 ] [78] Explicó el arcoíris secundario a través de un análisis similar que involucra dos refracciones y dos reflexiones.
El tratado de Descartes de 1637, Discurso del método , avanzó aún más en esta explicación. Sabiendo que el tamaño de las gotas de lluvia no parecía afectar al 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 emergían los rayos, concluyó que el arco primario era causado por una única reflexión interna dentro de la gota de lluvia y que un arco secundario podía ser causado por dos reflexiones internas. Respaldó esta conclusión con una derivación de la ley de refracción (posterior a, pero independientemente de, Snell ) y calculó correctamente los ángulos para 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 por una modificación de la luz blanca. [79] [80]
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 condujo a la primera explicación científica de las principales características del arco iris. [81] La teoría corpuscular de la luz de Newton no pudo explicar los arco iris supernumerarios, y no se encontró una explicación satisfactoria hasta que Thomas Young se dio cuenta de que la luz se comporta como una onda en ciertas condiciones y puede interferir consigo misma.
El trabajo de Young fue refinado en la década de 1820 por George Biddell Airy , quien explicó la dependencia de la intensidad de los colores del arcoíris con el tamaño de las gotas de agua. [82] Las descripciones físicas modernas del arcoíris se basan en la dispersión de Mie , trabajo publicado por Gustav Mie en 1908. [83] Los avances en los métodos computacionales y la teoría óptica continúan conduciendo a una comprensión más completa de los arcoíris. Por ejemplo, Nussenzveig proporciona una visión general moderna. [84]
Los experimentos sobre el fenómeno del arcoíris con gotas de lluvia artificiales, es decir, frascos esféricos llenos de agua, se remontan al menos a Teodorico de Friburgo en el siglo XIV. Más tarde, también Descartes estudió el fenómeno utilizando un frasco de Florencia . Un experimento del frasco conocido como el arcoíris de Florencia todavía se utiliza a menudo hoy en día como un experimento de demostración imponente e intuitivamente accesible del fenómeno del arcoíris. [85] [86] [87] Consiste en iluminar (con luz blanca paralela) un frasco esférico lleno de agua a través de un agujero en una pantalla. Entonces aparecerá un arcoíris proyectado en la pantalla, siempre que la pantalla sea lo suficientemente grande. Debido al grosor finito de la pared y al carácter macroscópico de la gota de lluvia artificial, existen varias diferencias sutiles en comparación con el fenómeno natural, [88] [89] incluyendo ángulos del arcoíris ligeramente modificados y una división de los órdenes del arcoíris.
Un experimento muy similar consiste en utilizar un recipiente cilíndrico de vidrio lleno de agua o un cilindro sólido transparente e iluminado ya sea en paralelo a la base circular (es decir, los rayos de luz permanecen a una altura fija mientras pasan por el cilindro) [90] [91] o bajo un ángulo con respecto a la base. En estas últimas condiciones, los ángulos del arco iris cambian en relación con el fenómeno natural, ya que el índice de refracción efectivo del agua cambia (se aplica el índice de refracción de Bravais para rayos inclinados). [88] [89]
Otros experimentos utilizan pequeñas gotas de líquido [56] [57] (ver texto arriba).
Los arcoíris aparecen con frecuencia en la mitología y se han utilizado en las artes. La primera aparición literaria de un arcoíris está en el Libro de Génesis capítulo 9, como parte de la historia del diluvio de Noé , donde es una señal del pacto de Dios de nunca destruir toda la vida en la Tierra con un diluvio global nuevamente. 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 arcoíris para los muiscas en la actual Colombia y cuando las lluvias regulares en la sabana de Bogotá terminaban, la gente le agradecía, ofreciéndole oro , caracoles y pequeñas esmeraldas . Algunas formas de budismo tibetano o Dzogchen hacen referencia a un cuerpo de arcoíris . [92] Se suele decir que el escondite secreto del duende irlandés para su olla de oro está al final del arcoíris. Este lugar es apropiadamente imposible de alcanzar, porque el arcoíris 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, como el arcoíris, conecta el mundo mortal con los dioses a través de mensajes. [93] En las creencias populares albanesas, el arcoíris se considera el cinturón de la diosa Prende , y la leyenda oral dice que cualquiera que salte sobre el arcoíris cambia de sexo. [94]
En heráldica , el arco iris propiamente dicho consta de 4 bandas de color ( argent , gules , or y vert ) con los extremos apoyados sobre nubes. [95] 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 los Estados Unidos .
Las banderas arcoíris se han utilizado durante siglos. Fue un símbolo del movimiento cooperativo en la Guerra de los Campesinos Alemanes en el siglo XVI, de la paz en Italia y del orgullo LGBT y los movimientos sociales LGBT ; la bandera arcoíris como símbolo del orgullo LGBT y del mes de junio del orgullo desde que fue diseñada por Gilbert Baker en 1978. [96] En 1994, el arzobispo Desmond Tutu y el presidente Nelson Mandela describieron a la recién democrática Sudáfrica post- apartheid como la nación arcoíris . 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 llamado a sí mismas una " Coalición Arcoíris ".
Señalar el arcoíris se ha considerado un tabú en muchas culturas. [97]
En Arabia Saudita y otros países con ideas similares, las autoridades confiscan ropa de niños (incluidos sombreros, pinzas para el pelo, estuches para lápices, etc.) y juguetes si tienen colores del arco iris, alegando que esto puede fomentar la homosexualidad y que vender esos artículos es ilegal. [98]
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