O Arco Iris, Relâmpago e Trovão,Panela de Pressão

Um arco-íris (também chamado arco-celeste, arco-da-aliança, arco-da-chuva ou arco-da-velha) é um fenômeno óptico e meteorológico que separa a luz do sol em seu espectro (aproximadamente) contínuo quando o sol brilha sobre gotas de chuva. Ele é um arco multicolorido com o vermelho no seu exterior e o violeta em seu interior; a seqüência completa é vermelho, laranja, amarelo, verde, azul, anil (ou indigo) e violeta. Veja também o artigo sobre as cores para informações sobre o espectro de cores do arco-íris.

Para ajudar a lembrar a sequência de cores do arco-íris, usa-se a mnemónica: «Vermelho lá vai violeta», em que l,a,v,a,i representam a sequência laranja, amarelo, verde, azul, indigo.

O efeito do arco-íris pode ser observado sempre que existir gotas de água no ar e a luz do sol estiver brilhando acima do observador em uma baixa altitude ou ângulo. O mais espetacular arco-íris aparece quando metade do céu ainda está escuro com nuvens de chuva e o observador está em um local com céu claro. Outro local comum para vermos o arco-íris é perto de cachoeiras.

Física e a química dos arco-íris
A aparência do arco-íris é causada pela dispersão da luz do sol que sofre refração pelas (aproximadamente esféricas) gotas de chuva. A luz sofre uma refração inicial quando penetra na superfície da gota de chuva, dentro da gota ela é refletida (reflexão interna total), e finalmente volta o sofrer refração ao sair da gota. O efeito final é que a luz que entra é refletida em uma grande variedade de ângulos, com a luz mais intensa a um ângulo de cerca de 40°–42°, independente do tamanho da gota. Desde que a água das gotas de chuva é dispersiva, a grau que a luz solar retorna depende do comprimento de onda e da frequencia, principalmente. A luz azul retorna em um ângulo maior que a luz vermelha, mas devido a reflexão interna total da luz na gota de chuva, a luz vermelha aparece mais alta no céu, e forma a cor mais externa do arco-íris.



raios de luz entram de uma direção (tipicamente uma linha fina do sol até a gota de chuva), reflete no interior da gota, e sai da mesma. A luz deixando o arco-íris é espalhada em um grande ângulo, com a intensidade máxima de cerca de 40°–42°



A luz branca se separa em diferentes cores (comprimentos de onda) ao entrar numa gota de chuva, como a luz vermelha sendo refratada por um ângulo menor que a luz azul. Ao sair da gota de chuva, os raios vermelhos são retornados por um ângulo menor que os raios azuis, produzindo o arco-íris.



O arco-íris não existe realmente como em um local do céu, mas é uma ilusão de óptica cuja posição aparente depende da posição do observador. Todas as gotas de chuva refratam e refletem a luz do sol da mesma forma, mas somente a luz de algumas delas chega até o olho do observador. Estas gotas são percebidas como o arco-íris para aquele observador. Sua posição é sempre na direção oposta do sol com relação ao observador, e o interior é uma imagem aumentada do sol, que aparece ligeiramente menos brilhante que o exterior. O arco é centralizado com a sombra do observador, aparecendo em um ângulo de aproximadamente 40°–42° com a linha entre a cabeça do observador e sua sombra (Isto significa que se o sol está mais alto que 42° o arco-íris está abaixo do horizonte e o arco-íris não pode ser visto a menos que o observador esteja no topo de uma montanha ou em outro lugar de altura similar. Similarmente é difícil de fotografar o arco completo, o que requer um ângulo de visão de 84°. Para uma câmera de 35 mm, uma lente com foco de 19 mm ou menos é necessária, entretanto a maioria dos fotógrafos têm lentes de 28 mm.

Podemos ver arco-íris de diferentes «tamanhos» porque, para estimar a sua largura, o nosso cérebro só tem como informação a dimensão do ângulo de visão que lhe corresponde. Se perto da imagem dele existirem objectos longínquos, como montanhas, o arco-íris parecerá maior. Se o arco-íris estiver perto de objectos menos distantes, parecerá menor. É fundamentalmente a mesma ilusão que faz com que a Lua, o Sol ou as constelações pareçam maiores quando estão perto do horizonte.

Algumas vezes, um segundo arco-íris mais fraco é visto fora do arco-íris principal, ele é devido a uma dupla reflexão da luz do sol nas gotas de chuva, e aparece em um ânculo de 50°–53°. Devido à reflexão extra, as cores do arco são invertidas quando comparadas com o arco-íris principal, com o azul no lado externo e o vermelho no interno. De um aeroplano é possível ter a oportunidade de ver o círculo completo do arco-íris, com a sombra do avião ao centro.



Alguns raios de luz podem refletir duas vezes dentro da gota de chuva antes de sair. Quando a luz incidente é muito brilhante isto pode ser visto como um arco-íris secundário, brilhando a 50°–53°.

Um duplo arco-íris apresenta as cores invertidas no arco secundário.

Um triplo arco-íris é ainda mais raro de se ver. Uns poucos observadores já relataram a visão de quatro arcos, quando o arco mais externo tem uma aparência pulsante e vibrante.

A primeira explicação teórica precisa do arco-íris foi feita por Descartes em 1637. Sabendo que o tamanho das gotas de chuva não pareciam afetar o arco-íris observado, ele fez uma experiência incidindo raios de luz através de uma grande esfera de vidro cheia d'água. Ao medir os ângulos que os raios emergiam, ele concluiu que o primeiro arco era causado por uma única reflexão interna dentro da gota de chuva e que o segundo arco podia ser causado por duas reflexões internas. Ele foi capaz de chegar aos seus resultados a partir da lei de refração (subseqüentemente, mas independente de Snell) e calculou corretamente os ângulos de ambos os arcos. Entretanto, ele não foi capaz de explicar as cores.

Isaac Newton foi o primeiro a demonstrar que a luz branca era composta da luz de todas as cores do arco-íris; com um prisma de vidro, pôde decompor a luz branca no espectro completo de cores e, com outro, pôde recombinar o feixe de luz em luz branca. Ele também demonstrou que a luz vermelha é refratada menos que a azul o que levou a uma completa explicação do efeito óptico do arco-íris.


Um arco-íris sobre a cidade americana de Honolulu, Havaí, Estados Unidos.


"Meu título vem de Keats, que acreditava que Newton tinha destruído toda a poesia do arco-íris ao reduzí-lo a cores prismáticas. Keats não poderia estar mais errado, e meu desejo é guiar todos que estão tentados a uma visão similar, até a conclusão oposta. Ciência é, ou deveria ser, a inspiração para os grandes poetas."

COMO SE FORMAM OS VENTOS NA NATUREZA?


Os ventos consistem no deslocamento em sentido horizontal de grandes massas de ar, que se movem em torno da superfície terrestre, tendo velocidades muito variáveis, abrangendo áreas cujas amplitudes são igualmente diversas. 
Para compreendermos a formação dos ventos, é importante entendermos o comportamento do ar, que muda de acordo com a temperatura. O aquecimento da superfície terrestre faz com que a camada de ar próxima a ela se aqueça, causando o afastamento entre as partículas que a compõem. Conseqüentemente, no mesmo espaço ocupado pela camada, antes do aquecimento, teremos menor massa de ar, e a camada ficará menos densa, acarretando uma diminuição da pressão atmosférica local.
Forma-se, então, um centro de baixa pressão.
O ar frio, por sua vez, torná-se mais pesado, formando centros de alta pressão. Portanto, à medida que o ar quente sobe para a atmosfera, o ar frio toma o seu lugar. Esta movimentação do ar origina os ventos, que sopram, na superfície da Terra, dos centros de alta pressão para os de baixa pressão.

O Relâmpago e o Trovão

Durante a formação de uma tempestade, verifica-se que ocorre uma separação de cargas elétricas, ficando as nuvens mais baixas eletrizadas negativamente, enquanto as nuvens mais altas se eletrizam positivamente. Várias experiências realizadas por pilotos de avião voando perigosamente através de tempestades, comprovaram a existência desta separação de cargas.

Podemos concluir que existe, portanto, um campo elétrico entre as nuvens mais baixas e mais altas. A nuvem mais baixa, carregada negativamente, induz na superfície terrestre uma carga positiva , criando um campo elétrico entre elas.

À medida que vão avolumando as cargas elétricas nas nuvens, a intensidade destes campos vão aumentando, acabando por ultrapassar o valor da rigidez dielétrica do ar..

Quando isso acontece, o ar torna-se condutor e uma enorme centelha elétrica ( relâmpago ) salta de uma nuvem para outra ou de uma nuvem para a Terra

Esta descarga elétrica aquece o ar, provocando uma expansão que se propaga em forma de uma onda sonora que chega diretamente da descarga, como também pelas ondas refletidas em montanhas, prédios, etc.

A indução de cargas e a quebra da rigidez dielétrica

As cargas distribuídas na base e no topo das nuvens produzem um campo elétrico interno, denominado campo elétrico intra-nuvem. Além disso, com o acúmulo de cargas em sua superfície externa, a nuvem pode provocar uma indução eletrostática na superfície de outras nuvens ou no solo imediatamente abaixo (apesar das nuvens serem formadas por moléculas de água, portanto isolantes elétricas, a mobilidade de seus íons lhes confere um comportamento semelhante ao de um condutor). Neste caso cria-se um campo elétrico entre nuvens ou entre a nuvem e o solo. 
Enquanto os choques das partículas dentro da nuvem se intensificam, a quantidade de carga em sua superfície aumenta e, conseqüentemente, o campo elétrico criado por essas cargas também se eleva. Com o aumento da intensidade desse campo, as moléculas de ar entre as partes eletrizadas sofrem polarização e se orientam de acordo com o campo elétrico. O efeito de polarização se intensifica com o aumento da intensidade do campo, até o ponto em que elétrons são arrancados das moléculas do ar. Este, dessa forma ionizado, se transforma em um condutor gasoso. Genericamente, o valor de campo elétrico que provoca ionização em um meio é denominado rigidez dielétrica desse meio. No ar, a rigidez dielétrica varia com as condições da atmosfera. Quando o campo elétrico ultrapassa esse valor limite, diz-se que houve uma quebra da rigidez dielétrica do meio. Isso transforma o isolante em condutor. Como conseqüência, os íons negativos e os elétrons livres do ar são fortemente atraídos pelas cargas positivas presentes nas nuvens ou induzidas no solo, formando um caminho chamado de canal condutor. Assim sendo, o movimento de cargas negativas no canal condutor pode ocorrer tanto intra-nuvem como entre nuvens ou entre nuvem e solo. Em cerca de 90% dos casos as descargas elétricas se originam na base da nuvem, quase sempre eletrizada negativamente. Portanto, em geral, é uma carga negativa que inicia o processo de descarga elétrica atmosférica. 


O movimento da Carga Líder

A primeira carga a se movimentar, na maioria das vezes vinda da base de uma nuvem, é a Carga Líder ou Líder Escalonado. É chamada assim porque desce em etapas ou escalas, em intervalos de tempo quase uniformes. Algumas cargas seguem novos caminhos fora do canal principal, criando ramificações em muitos pontos. Isso porque há íons na atmosfera, distribuídos de maneira não uniforme, o que acaba por atrair ou repelir essas cargas para um lugar indeterminado. As bruscas variações de velocidade da Carga Líder produzem uma onda eletromagnética de freqüência superior à da luz visível, portanto não perceptível pelo olho humano. O movimento da Carga Líder é seguido por outras cargas provenientes da base da nuvem criando-se uma corrente elétrica denominada raio. 

Líderes Conectantes e Descarga de Retorno

A Carga Líder, em geral negativa, aproxima-se de cargas positivas localizadas no solo ou nas nuvens. A carga acumulada no canal condutor produz um aumento na intensidade do campo elétrico entre as cargas, gerando uma nova quebra da rigidez dielétrica do ar. Por efeito dessa quebra, devido ao alto nível de intensidade desse campo, íons positivos são arrancados do solo (ou da nuvem para onde as cargas negativas se dirigem). Isto explica a afirmação: na maioria dos casos, a descarga elétrica ocorre do solo para a nuvem. A intensificação do campo elétrico provoca o surgimento de vários caminhos (canais) por onde esses íons se deslocam ao encontro da Líder. Os íons positivos são denominados Líderes Conectantes ou Descargas Conectantes. No caso de descargas nuvem-solo, esse segundo rompimento da rigidez dielétrica ocorre quando a Líder está cerca de 10 m de distância do local de onde os íons positivos são arrancados. Essas cargas se encontram aproximadamente a meia distância do percurso. Assim se completa o canal do relâmpago. Todas as cargas negativas que seguem a Carga Líder movem-se através dos novos canais por onde passaram os íons positivos até alcançar os pontos de onde eles partiram. A descarga que saiu do solo continua seu movimento até a nuvem e passa a ser denominada Descarga de Retorno. Essa descarga ocorre com uma velocidade de cerca de um terço da velocidade da luz. 

O relâmpago

As principais conseqüências das descargas elétricas atmosféricas (raios) são a luz (relâmpago) e o som (trovão). Os relâmpagos são produzidos basicamente pela radiação eletromagnética emitida por elétrons que, após serem excitados pela energia elétrica, retornam a seus estados fundamentais. Isto ocorre principalmente na Descarga de Retorno e por esta razão, no caso da descarga nuvem-solo, a geração da luz é feita de baixo para cima. A luz do relâmpago é bastante intensa devido à grande quantidade de moléculas excitadas. Pode-se observar que as ramificações do canal são menos brilhantes pela menor quantidade de cargas presentes nessa região. A geração de luz dura cerca de um décimo de segundo. Portanto, os fótons produzidos no início da trajetória, apesar de chegarem primeiro na retina do observador, conseguem mantê-la sensibilizada até a chegada dos fótons provenientes do final da trajetória. Por isso, é comum se pensar que o canal se iluminou todo de uma vez ou ainda que o relâmpago caiu, vindo de cima para baixo, talvez por colocarmos a nuvem como nossa referência. Geralmente a luz do relâmpago é de cor branca, mas pode variar, dependendo das propriedades atmosféricas entre o relâmpago e o observador. 

Relâmpagos múltiplos

Quando há apenas uma Descarga de Retorno, o relâmpago é classificado como relâmpago simples. Os relâmpagos múltiplos acontecem quando a nuvem não se descarrega completamente durante o primeiro raio. Neste caso, a cargas remanescentes se acumulam novamente na base da nuvem e o fenômeno se reproduz através dos mesmos passos descritos nesta seção. A Carga Líder poderá ser um Líder Contínuo (um líder que não desce em etapas e aproveita o canal que já existe), um Líder Escalonado (um novo líder formado quando todo o canal se desfaz) ou um Líder Contínuo-escalonado (se parte do canal se desfizer). A descarga de retorno será denominada Descarga de Retorno Subseqüente unicamente no caso do Líder Contínuo. 
Para que aconteça mais de um relâmpago, tudo vai depender do tempo que a nuvem leva para se recarregar. A maioria dos relâmpagos é do tipo múltiplo. O número médio de descargas de retorno subseqüentes geralmente é de 3 a 5. O maior valor até hoje registrado foi de 42 descargas. É um erro comum pensar que um relâmpago nunca cai duas vezes no mesmo lugar. Sendo várias as descargas positivas ou Conectantes que saem do solo, se uma delas sair de um mesmo ponto (onde a primeira Conectante saiu) indo ao encontro da nova Líder, será possível que isso ocorra. 

Assim como o Líder Escalonado, o Líder Contínuo é invisível.Por outro lado, na maioria dos casos, o Contínuo não possui ramificações. Sua Descarga de Retorno Subseqüente é menos brilhante que a primeira descarga e pouco ramificada. 

O Líder Contínuo-escalonado ocorre quando, durante a descida de um Líder Contínuo, o canal se desfaz e ele tem que mudar para Líder Escalonado para poder completar o caminho. A Descarga de Retorno Subseqüente, pode sair de um outro ponto do solo e seguir também um novo caminho, bifurcando o canal (vemos a figura de um ípsilon invertido). Quase 1/4 dos relâmpagos apresenta este efeito. 


Raios nuvem-solo positivos


Os raios entre a nuvem e o solo também podem iniciar por Líderes positivos descendentes, correspondendo a movimentos de subida de cargas negativas (elétrons). A Descarga de Retorno resultante transporta cargas positivas da nuvem para o solo. Estes são os raios nuvem-solo positivos e no geral eles não se seguem de Descargas de Retorno Subseqüentes, sendo classificados como relâmpagos simples. Eles causam maiores danos do que os negativos. Muitos acidentes como incêndios em florestas e estragos em linhas de energia são causados por este tipo de raio.