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¿Por qué el arcoíris es curvo?

Para ver el arcoíris debemos estar entre el sol y las gotas de agua

Un arcoíris en una carratera.
Un arcoíris en una carratera.

Para que aparezca el arcoíris se tienen que dar las condiciones adecuadas. Como todos hemos podido comprobar, no vemos el arcoíris cada vez que llueve, sobre todo en condiciones de tormenta o con mucho viento. Tiene que haber lluvia en suspensión para que las bolitas de las gotas de lluvia sean lo más circulares posible; tiene que haber sol bajo, no puede estar en el cenit y, lógicamente, tenemos que estar nosotros en la posición adecuada.

¿Qué ocurre cuando llega un rayo de sol a una de esas gotitas de agua que hay en suspensión en la atmósfera? Como ya sabemos, la luz del sol se transmite en línea recta siempre que no cambie el medio en el que está viajando, cuando se encuentra con las bolitas de agua cambia el medio así que tiene que cambiar su dirección, eso es lo que se llama refracción de la luz. Y no solo cambia la dirección sino que, dependiendo del color, se desvía de diferente forma, es lo que se llama dispersión de la luz. El ángulo de desviación que sufre la luz cuando entra en la gota de agua es menor para la luz roja, máximo para la luz violeta, e intermedio para el resto de colores que componen la luz blanca. Es lo mismo que ocurre en un prisma.

Una vez que el rayo de luz está dentro de la bolita de agua, cruza el diámetro de la gota y se encuentra con el otro lado, el que vuelve a dar salida al aire. Parte de la luz no sale al exterior de la bolita sino que se mantiene dentro de la bolita de agua. Esto es lo que se llama reflexión interna.

Como la luz ya está separada por colores, el ángulo de reflexión es ligeramente diferente también para cada color. Cuando vuelve hacia atrás de nuevo se encuentra con la cara por la que había entrado la primera vez y vuelve a cambiar su dirección al salir hacia atrás (se refracta de nuevo). En resumidas cuentas, sale por el mismo lado donde había entrado pero con un ángulo muy diferente, entre 138 y 140 grados respecto a la dirección inicial. Y respecto a nosotros, que para ver el arcoíris debemos estar entre el sol y las gotas de agua, ese ángulo está aproximadamente a 40 grados. Para entender por qué vemos un arco tenemos que pensar en qué figura geométrica describe 40 grados siendo nosotros un vértice. Y esa figura es un cono. Desde donde estamos nosotros, a izquierda, derecha, hacia arriba y, obviamente, no hacia abajo porque está el suelo, esos 40 grados de apertura forman un cono. Si no estuviera el suelo veríamos un círculo completo, pero como está el suelo lo que vemos es una parte del cono, un arco, el arcoíris.

Pero en algunas circunstancias especiales es posible ver el círculo completo. Por ejemplo, desde un avión puede verse cuando la cortina de agua está por debajo. Entonces no hay suelo y el arco se cierra completamente. También hay fotografías muy bonitas del círculo completo hechas desde rascacielos cuando se produce el ángulo adecuado del sol y la cortina de agua está más baja que el lugar desde el que se está haciendo la foto.

En algunas circunstancias especiales es posible ver el círculo completo. Por ejemplo, desde un avión puede verse cuando la cortina de agua está por debajo. Entonces no hay suelo y el arco se cierra completamente

Hay veces que podemos ver un segundo arcoíris por encima del primero. ¿A qué se debe este segundo arcoíris? Recordamos que la luz entra, sufre una primera refracción en la cara de la gota de lluvia que atraviesa, sufre una reflexión en el lado contrario, vuelve hacia atrás y sale de la gota de agua con una segunda refracción. Para que se produzca el segundo arcoíris debe quedarse dentro de la gota después de la primera reflexión, volver a reflejarse por segunda vez y salir la tercera vez que se choca con la pared de separación entre el agua y el aire. Ese ángulo de salida es un poco más grande, alrededor de 50 grados respecto a nosotros, así que lo vemos por encima del otro. Este segundo arco se ve muy poco porque ha tenido que reflejarse dos veces y por lo tanto ha perdido luz por el camino, por eso es más tenue. Además, tiene la característica de que los colores están invertidos, en la segunda reflexión dentro de la gotita de agua los diferentes colores se han invertido y aparece el violeta por arriba y el rojo por abajo.

Dolores de Fez es doctora en Ciencias Físicas, pertenece al Grupo de Óptica y Percepción Visual de la Universidad de Alicante.

Pregunta enviada vía email por Javier Pérez Tejero

Nosotras respondemos es un consultorio científico semanal, patrocinado por la Fundación Dr. Antoni Esteve, que contesta a las dudas de los lectores sobre ciencia y tecnología. Son científicas y tecnólogas, socias de AMIT (Asociación de Mujeres Investigadoras y Tecnólogas), las que responden a esas dudas. Envía tus preguntas a nosotrasrespondemos@gmail.com o por Twitter #nosotrasrespondemos.

Coordinación y redacción: Victoria Toro

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