Fenómenos ópticos de nubes bajas

El arcoiris conforma casi el único fenómeno óptico que se produce en el ámbito de las nubes bajas. No solo se trata del fenómeno más célebre del cielo, sino también el más vistoso. Este fenómeno, a veces imponente, impresiona tanto que cuenta con un profundo poder simbólico desde hace milenios. Así Moisés cuenta en el noveno capítulo del Génesis que, tras el diluvio universal, Dios desplegó el arco iris en las nubes como signo de su reconciliación con la humanidad. Hoy en día, en un momento en que aumenta la conciencia medioambiental, el arco iris se ha convertido en emblema de reconciliación con la naturaleza.
Pero ¿cómo se forma el arco iris? Para saberlo hay que aclarar en primer lugar cuando aparece en el cielo y en que parte de él se sitúa exactamente. El arco iris aparece sobre todo entre las nubes en retirada cuando deja de llover, cuando vuelve a lucir el sol y este ilumina las nubes de lluvia.

Para que se produzca es totalmente necesario que el sol incida sobre gotas de lluvia.

En un principio el arco iris surge exactamente igual que los halos, por un mecanismo de refracción. Pero en el caso de los halos el fenómeno lo desencadena el borde de los cristales de hielo mientras que el arco iris se debe a la superficie curva de las gotas de lluvia. Para crear un arco iris los rayos del sol también se desvían de su trayectoria original por refracción. Pero, si para los halos el proceso termina ahí, en el caso del arco iris se produce además un fenómeno d reflexión.

La ilustración muestra lo que sucede cuando un rayo de sol incide en una gota de lluvia. Primero, al penetrar en la superficie de la gota, el rayo se quiebra (A) es decir se desvía de su trayectoria y, con ello tal como ocurre en un prisma, se descompone en todos los colores del espectro. Pero, por determinadas leyes físicas, el rayo no puede salir de la gota por el otro lado (B). En lugar de eso vuelve a precipitarse hacia el interior de la gota, se refleja, como se expresaría en términos físicos. Solo entonces las leyes físicas permitirán al rayo de sol volver a salir de la gota tras experimentar otro proceso de refracción en A2. Entretanto la trayectoria del rayo se ha desviado unos 139 grados.

Todo lo demás sucede de la misma forma que los fenómenos de halo: las gotas de lluvia, que mantienen una separación de 180º-139º = 41º con el punto opuesto del sol forman un arco óptico luminosos: el arco iris. También sus colores tienen la misma explicación que los de los halos. Como las longitudes de onda más cortas experimentan una refracción mayor que las largas, el arco azul posee un radio algo menor que el del arco rojo o, dicho de otro modo, el arco iris es azul por su parte interior y rojo por la exterior.

Como se ha comentado el arco iris aparece por regla general cuando el sol incide sobre una pared de lluvia en retirada. Por tanto, siempre se sitúa justo en el lugar del cielo opuesto al sol.

Si se observa el gráfico se tendrá una idea clara de las circunstancias. En él se ilustra la bóveda celeste aparente que gira sobre la cabeza del observador. La superficie gris representa el entorno delimitado por el horizonte. El horizonte se indica mediante la línea negra.

El centro del arco iris y el sol representan dos puntos exactamente opuestos en el cielo, igual que el cenit y el nadir, o que los puntos cardinales este y oeste. Esto tiene una consecuencia importante: como el arco iris solo puede formarse cuando el sol se halla en el cielo, el centro del arco siempre se sitúa tan debajo del horizonte como lo está el sol sobre él. El arco iris debe imaginarse como trazado con un compás con una abertura de 41 grados y centrado en ese punto. También puede ocurrir que solo se vea un arco parcial. Cuanto más alto se halle el sol, más bajo se encuentra el centro del arco iris y, por tanto, más pequeña es la parte visible. En los casos más favorables, es decir, cuando el sol se sitúa justo en su orto u ocaso, se ve medio círculo. Desde aviones u otros lugares elevados puede llegar a verse más cantidad del círculo y, en condiciones óptimas, incluso se ve el círculo completo.

Con bastante frecuencia se forma, incluso, un arco doble.

En el arcoiris secundario, algo mayor, con un radio aproximado de 51 grados, los colores se disponen a la inversa que en el arco principal, es decir, el rojo en su interior y el azul en el exterior. Esto sucede cuando los rayos de sol que inciden en las gotas de lluvia no se reflejan solamente una vez sino dos. De este modo se produce una desviación en la trayectoria de unos 51 grados y la inversión de la sucesión de los colores. Existe incluso un tercer arco debido a una reflexión triple. Sin embargo este es muy tenue y, además, se sitúa en la parte del cielo que da al sol. Como en esa parte suele haber mucha claridad apenas puede percibirse.

La observación del arco iris permite descubrir dos particularidades. La primera es que contiguos a la parte interior del arco iris principal (más pequeño) hay varios arcos más de tonos ligeros o de color blanco que al final degeneran en una superficie brillante carente de estructura. Se trata de procesos de esparcimiento múltiple o de interferencia. La segunda peculiaridad es que el cielo se muestra muy brillante dentro del arco menor y fuera del mayor, pero bastante oscuro en la región que queda entre ambos arcos. Este fenómenos se denomina "banda oscura de Alexander". Expresado de un modo muy simplificado esta se produce porque los fenómenos de refracción desvían gran pare de la luz desde esa región intermedia hacia ambos arcos y la concentran en ellos. De este modo a la zona situada entre los arcos solo llega una iluminación residual tenue.