O arco-íris é um fenômeno ótico causado pela refração da luz solar nas gotas de água (chuva) presentes na atmosfera. A refração divide a luz solar, branca, em espectros coloridos que caracterizam o arco-íris.

O mesmo fenômeno pode ser reproduzido em outras situações através da refração de luz por um prisma de vidro.

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Todos os objetos apresentam um determinado índice de refração e as gotas de chuva também. Elas funcionam como se fossem um prisma natural, mas precisam ter um tamanho e formato certos para formar o arco-íris.

A refração é o processo de desvio do feixe de luz que, ao passar de um meio material para outro (o ar, para a água da gota de chuva) sofre um atraso. Um lado da onda de luz desacelera primeiro que o outro, causando a separação das cores de acordo com a frequência. É isso que a gota de chuva faz com a luz. Ao passar do meio material do ar, para a água da gota de chuva, a luz sofre uma refração, desvia no interior da gota e depois sofre uma nova refração ao sair da gota de chuva.

Por que um arco?

Mas, se fosse só isto, veríamos então, ao invés de um arco-íris, vários feixes de luz colorida (com cada gota de chuva refletindo todas as cores do arco-íris: laranja, amarelo, vermelho, verde, azul e violeta) e não todos eles arrumadinhos formando um arco.

A questão é que, quando a gota de chuva refrata a luz solar, as cores vão se separando de acordo com sua frequência em ângulos diferentes com relação ao observador. Desta forma, apenas uma cor estará posicionada em um ângulo visível ao observador. E da mesma forma, todas as outras gotas ao redor desta, refratarão a mesma cor em direção ao observador, formando uma faixa larga de determinada cor que caracteriza o arco-íris.

Exemplificando: você está observando o arco-íris. A cor que você vê por cima, o vermelho, está sendo refratada por várias gotas de chuva que estão na mesma altura. Logo abaixo do vermelho, você vê a cor laranja, que está sendo refratada por gotas de chuva que estão logo abaixo das que estão refratando a cor vermelha e assim sucessivamente. Isso porque, as gotas de cima estão em um ângulo que permite que a cor vermelha seja refratada direto para você, enquanto as outras cores passam por baixo de seu campo de visão (ou por cima, dependendo da cor).