Por qué cuando llueve se forma un arco iris y no otra foma?

 En ocasiones, cuando nos encontramos frente a una cortina de agua de lluvia con el Sol a nuestra espalda, podemos observar un fenómeno óptico conocido como arco iris. Pero no solamente en la lluvia, también en la neblina o en una cascada o, en general, frente a agua lo suficientemente pulverizada.

Este efecto se debe a que las gotas de agua se comportan como prismas y descomponen la luz que las atraviesa en todos los colores del espectro luminoso. ¿Y cómo es eso?

Cuando un rayo de luz topa con un objeto, determinadas longitudes de onda son absorbidas mientras otras son reflejadas. El color asociado a aquellas que rebotan es el que nuestros ojos perciben y por ello decimos que el objeto en cuestión es de determinado color. Ahora bien, cuando el objeto con el que la luz topa no es sólido o bien siéndolo no opone resistencia o pone poca al paso de la luz (objetos transparentes o translúcidos) la luz los atraviesa. Pero este cambio en el medio de propagación provoca un cambio en su velocidad, lo que se nos muestra como un cambio de dirección de aquellos rayos de luz que inciden oblicuamente.

La siguiente imagen aclarará lo dicho.

El rayo de luz incide oblicuamente sobre la superficie del agua y, al atravesarla sufre la refracción que se concreta en un cambio del ángulo con respecto a la perpendicular. Pero cada una de las diferentes longitudes de onda que componen la luz blanca se ve refractada de diferente manera porque la velocidad de propagación es diferente para cada una de ellas. Esto se traduce en diferentes ángulos de refracción para cada una en un fenómeno que se conoce como dispersión de la luz, mostrando a nuestros ojos el espectro de luz visible del rojo al violeta, cuando el rayo ya ha atravesado el medio líquido (en este caso la gota de agua) que se ha comportado como un prisma.

También, casi sin pretenderlo, hemos dado respuesta a la cuestión de ordenación de los colores, y ya sabemos por qué el rojo se encuentra en el extemo superior y el violeta en el inferior: el rojo tiene la longitud de onda más larga y el violeta la más corta.

Pero no siempre que llueve vemos el arco iris. ¿Cuándo lo vemos y cuando no?

En la imagen de la izquierda se puede ver la luz del Sol incidiendo oblicuamente sobre la superficie de la gota y refractándose al cambiar de medio de propagación. Después se refleja en el fondo cóncavo de la parte posterior de la gota y vuelve a refractarse al salir de ella.Por supuesto que no toda la luz se refracta o se refleja. Cuando el rayo de luz topa con la gota se refracta, pero otra parte se refleja. Cuando se refleja en la pared posterior de la gota una parte de luz se refracta al pasar al aire, Y en la última refracción también se produce reflexión. Ocurre que ahora no las tenemos en cuenta para simplificar y que el ejemplo se comprenda mejor. Al igual que tratamos la gota de agua como un círculo cuando en realidad es una esfera.Ahora bien, ya sabemos que la cortina de agua debe estar frente a nosotros (y alrededor según el caso, pero cuenta la parte que tenemos enfrente que es donde se mostrará el arco iris) y que el sol debe estar a nuestra espalda y por encima de nosotros. Pero el arco no ocupa todo el cielo y tampoco lo hace siempre. Todas las gotas dispersan el agua, pero solamente apreciamos el efecto en algunas de ellas. Concretamente aquellas cuyo rayo refractado forma un ángulo de 40º a 42º teniendo en cuenta la línea que representa la incidencia de luz solar y la línea imaginaria que une el rayo refractado con el ojo del observador.

Expliquemos esto un poco mejor.

Una determinada gota de agua refracta la luz y la devuelve al observador formando un ángulo mayor de 42º o menor de 40º, lo que se corresponde a una longitud de onda no visible. Resultado: no vemos nada reflejado.

Una determinada gota de agua refracta luz y la devuelve al observador formando un ángulo que va de 40º a 42º, lo que se corresponde con el espectro de luz visible. Resultado: vemos el arco iris.

Esto quiere decir que una gota que refracte la luz solar con un ángulo de 42º la veremos de color rojo (a ella y a todas aquellas con la misma característica) y a la que lo haga con un ángulo de 40º la veremos de color violeta (a ella y a todas aquellas con la misma característica). O lo que es lo mismo, veremos unas gotas de color rojo, “unas cuantas gotas más abajo” las veremos de color naranja, “unas cuantas gotas más abajo” las veremos amarillas… y así hasta completar los siete colores del arco iris en el espacio de 2º de arco.

¿Y por qué no las vemos dispuestas en línea recta como si se tratase de un pentagrama, o en forma triangular, o cuadrada, o en forma de estrella, por poner unos ejemplos?

Pues no, apreciamos el efecto en forma de arco —aunque en realidad es un círculo que el horizonte no nos permite contemplar en su totalidad— debido a que la gotas de agua que se nos muestran están dispuestas de esa manera, es decir, en círculo, Y ese círculo es la base de un cono con vértice en los ojos del observador y con un eje paralelo a los rayos del sol que inciden en las gotas, tal como muestra la imagen.

Nota sabionda: En realidad el número de reflexiones que se producen en el interior de la gota pueden ser más de dos (dependiendo de por dónde entre la luz) lo que puede dar lugar a la aparición de dos arcos iris: el primario más fuerte e interior y el secundario más débil y exterior y con los colores en orden invertido. 

Nota sabionda: Como el ángulo para ver el arco iris siempre es de 40º-42º, 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.

Fuente: www.sabercurioso.es