La física de los arcoíris: de arcos supernumerarios a gotas que hacen de espejo

Aparte de a sus apuntes, al científico francés René Descartes, padre de la geometría analítica y la filosofía moderna, le gustaba mirar al cielo. Fue el primer europeo en publicar un estudio detallado sobre arcoíris, que incluyó en un pequeño ensayo técnico sobre meteorología al final de su famoso tratado ‘Discurso del método’ de 1937.

Explicaba el fenómeno celeste en uno de los esquemas que aparecen en el trabajo: el dibujo muestra cómo un rayo lumínico choca contra una gota de lluvia, penetra en él y es reflejado en su interior una o más veces antes de salir. El galo describía así los principios básicos de la interacción entre la luz, el aire y un líquido que dan lugar al arco coloreado.

Sin embargo, solo las contribuciones posteriores de Isaac Newton y Thomas Young completaron el modelo al describir el papel de las longitudes de onda y su influencia en las diferentes tonalidades. La combinación del ángulo de reflexión y las dos refracciones (cambios de dirección sufridos por el rayo solar al entrar y abandonar la gota de agua) provoca que cada longitud de onda, correspondiente a un color, ocupe una banda en el arco.

Pero no todo quedó resuelto por estos genios. Desde sus descubrimientos se han documentado nuevos y extraños efectos visuales en los arcoíris que han suscitado numerosos estudios científicos. El físico Alexander Haussmann, del Instituto de Física Aplicada de la Universidad Técnica de Dresden (Alemania), describe alguno de los más recientes hallazgos en un artículo publicado en el ‘European Journal of Physics’.

Un ejemplo es la presencia de arcos secundarios que muestran las bandas coloreadas en el orden contrario al del original, un fenómeno que aparece cuando la luz sufre una doble reflexión dentro de las gotas de lluvia.

Una curiosidad asociada a estas parejas de arcoíris es la conocida como banda oscura de Alexander (bautizada en honor de Alexander de Aphrodisias, que la describió por primera vez en el año 200 A.C.). Se trata de una zona oscura intermedia entre dos arcos a la que no llegan los rayos reflejados debido a las leyes de la física.

También existen los llamados arcos supernumerarios, unas franjas más estrechas que las habituales que aparecen en la cara interior de los arcoíris. Este fenómeno se produce cuando las gotas de lluvia son especialmente pequeñas (con un diámetro igual o menor de un milímetro) y de tamaño uniforme, que provocan la interferencia entre rayos luminosos.

Una antigua teoría rescatada continuamente

Los físicos han logrado explicar todos estos vistosos efectos ópticos partiendo de la teoría de Descartes, aplicando nuevos modelos y aprovechando la gran capacidad de procesamiento de los ordenadores actuales. No obstante, los arcoíris continúan guardando muchos secretos que los científicos, y unas cámaras cada vez más sofisticadas, develan poco a poco.

Por ejemplo, la verdadera importancia del tamaño de las gotas de lluvia es un descubrimiento relativamente reciente. La teoría original sobre el fenómeno asume que estas son esféricas y no menciona nada respecto a su talla, pero en realidad esta afecta a la estructura y apariencia del arcoíris.

Las gotas más grandes sufren una deformación (se hunden por debajo) cuando caen, debido a la resistencia impuesta por el aire, y acaban por dividirse en otras más pequeñas. Este tipo de gotas suelen representar un bajo porcentaje de los chaparrones, pero cuando son abundantes provocan un efecto visual: la parte inferior del arco, donde llegan las gotas de menor tamaño, se observa más brillante.

La presencia de gotas de distintos tamaños también da lugar a los exóticos arcos gemelos o hermanados, que se diferencia de los dobles en que parecen salir de un una misma base. Hay incluso arcoíris causados por luz artificial. Sin embargo, y pese a que el abanico de variedades es cada vez más amplio, los arcoíris siguen guardando secretos a los ojos de sus admiradores.