Nuvem iridescente: Por que nuvens ficam coloridas?

          Recentemente, uma foto viralizou  na internet. Registrada no dia 22 de agosto deste ano na cidade de Hai Kou Shi, China, a foto original (Fig.1) foi significativamente editada (Fig.2), com a versão editada,  infelizmente, sendo aquela viralizada. Independentemente da edição, o efeito na foto original continua sendo espetacular e é real. Chamado popularmente de "nuvem arco-íris", o fenômeno é relativamente raro e conhecido cientificamente como 'nuvem iridescente'.

          A nuvem iridescente é formada quando existe grande quantidade de minúsculas gotículas ou cristais de gelo (~10-15 μm) (1) no ambiente, luz solar incidente estreitamente direcionada em um ângulo adequado, e tipicamente é mais notável no topo de nuvens cúmulos (como observado no vídeo) - onde o ar úmido ascendente e acima da nuvem se expande e esfria, levando à formação de finas 'nuvens píleos' com muitas gotículas em suspensão e suficientemente espaçadas entre si. Quando a luz solar (branca) encontra as pequenas gotículas, essa sofre difração (2), com diferentes cores do espectro visível sendo mais intensamente espalhadas para determinados ângulos de observação - produzindo o colorido espetáculo.

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          Em geral, o fenômeno de nuvem iridescente é mais frequente em nuvens finas ou nas bordas de nuvens mais espessas. Padrões mais regulares, definidos e em arcos como o observado na foto viralizada são muito raros. Aliás, como regra geral, o fenômeno não se manifesta na forma de arcos, como pode ser observado nas figuras abaixo - diferente de outros dois fenômenos similares de difração envolvendo nuvens (corona e glória). Na corona (Fig.9-10), o espalhamento da luz é feito por gotículas de água com tamanhos muito similares e distribuição uniforme; quando as gotículas variam de tamanho ao longo da nuvem, os anéis coloridos serão distorcidos. Nesse sentido, é sugerido que a iridescência nas nuvens resulta de pedaços de corona (Ref.1), ou, mais recente, é também sugerido que o fenômeno é devido à interferência entre a luz que está sendo difratada pelas gotículas e a luz que está sendo transmitida através dessas gotículas (Ref.4). Em nuvens cirros (ou cirrus), a iridescência é sempre causado por cristais de gelo (Ref.3).

> DIFRAÇÃO: Trata-se de um efeito característico de fenômenos ondulatórios, que ocorre sempre que parte de uma frente de onda (sonora, de matéria, ou eletromagnética) é obstruída, e está relacionado à superposição e interferência de ondas planas uniformes que se propagam em diferentes direções do espaço. A difração permite que uma onda contorne obstáculos ou fendas, desde que uma condição seja atendida: o comprimento de onda (λ) deve ser similar ou muito maior do que o tamanho (d) do obstáculo ou a largura da fenda (Fig.12); logo, na nossa percepção cotidiana, difração do som (ondas sonoras) é muito mais comum do que a difração da luz (por isso também a raridade relativa dos fenômenos de nuvem iridescente e afins, já que os comprimentos de onda da luz visível são extremamente pequenos) (3). A difração não altera a velocidade (V), frequência (f), período (T) e comprimento (λ) da onda, e é um fenômeno muito importante em certas técnicas laboratoriais analíticas (ex.: difração de raios-X).

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(3) Para mais informações sobre o fenômeno da difração em ondas eletromagnéticas (ex.: luz visível), acesse o paper na Ref.5.

(2) Não confundir refração (fenômeno responsável pelos arco-íris) com difração (espalhamento da luz) (!). Na refração, a luz é decomposta ao passar por dentro do meio refrator (ex: prisma); na difração, a luz contorna o objeto difrator. Para mais informações sobre o fenômeno de difração e a formação de arco-íris, acesse: Por que a luz solar ou branca se decompõe em várias cores ao passar por um prisma?

(!) Outro fenômeno similar ao arco-íris é o halo solar (ou lunar), formado por espalhamento da luz por cristais de gelo (tipicamente em nuvens cirros), através de reflexão e refração. Para mais informações: O que é um Halo Solar?  

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REFERÊNCIAS CIENTÍFICAS

1. Bohren, C. (1985). Simple Experiments in Atmospheric Physics. Weatherwise, 38(5), 268–274.  
2. Sassen, K. (2003). Cirrus cloud iridescence: a rare case study. Applied Optics, 42(3), 486.  
3. Laven, P. (2017). Iridescent clouds and distorted coronas. Applied Optics, 56(19), G20. https://doi.org/10.1364/ao.56.000g20
4. Shaw & Pust (2011). Icy wave-cloud lunar corona and cirrus iridescence. Applied Optics, 50(28), F6.
5. Dartora et al. (2011). Conceitos básicos sobre a difração e a dispersão de ondas eletromagnéticas. Revista Brasileira de Ensino de Física, 33(1). https://doi.org/10.1590/S1806-11172011000100007