Os arco-íris são um dos fenómenos óticos mais espetaculares encontrados no mundo natural, e o Havaí tem a sorte de tê-los em abundância. Esses arco-íris são tão comuns, mas tão impressionantes, que são celebrados em cantos e lendas havaianas, em placas de veículos e em nomes de equipas desportivas e empresas locais. Visitantes e moradores locais costumam parar seus carros na beira da estrada para capturar o brilho dessas faixas de luz.

O significado cultural do arco-íris se reflete na língua havaiana, que possui inúmeras palavras e frases para descrever as diversas manifestações do arco-íris no Havaí. Estes incluem arco-íris agarrados à Terra (uakoko), hastes de arco-íris em pé (kāhili), arco-íris pouco visíveis (punakea) e arco-íris lunares (ānuenue kau pō) (Pukui e Elbert 1986).

Na mitologia havaiana, o arco-íris simboliza a transformação e serve como um caminho entre as dimensões, como acontece em muitas culturas em todo o mundo. Aqueles que podem viajar livremente entre os mundos superior e inferior vivem como deuses entre os humanos, desfrutando da prosperidade e abundância terrena. O arco-íris também é o caminho celestial que os deuses havaianos usam para descer de seu lar nos reinos divinos à Terra. As almas que partiram caminham por um caminho de arco-íris para passar por Kuaihelani, uma misteriosa ilha flutuante que “sustenta os céus”, para chegar à terra sagrada de Nu’umealani, a terra brilhante, elevada e perfumada do “celestial”.

O arco-íris também serve de escabelo para Malanaikuaheahea, esposa do lendário viajante transpacífico e astrónomo cujo nome, Makali'i, é também o termo havaiano para o aglomerado de estrelas das Pleiades, de onde se acredita que os primeiros havaianos vieram à Terra.

Segundo a lenda havaiana, Kahaukani e Kauakuahine, o chefe e a chefe do Vale Mānoa, tiveram uma filha chamada Kahalapuna, que foi tragicamente morta por um pretendente ciumento. Em resposta, Kahaukani transformou-se no vento Mānoa e Kauakuahine tornou-se por sua vez, nas chuvas Mānoa. À medida que os ventos Mānoa sopram chuvas nebulosas pelo vale, Kahalapuna aparece como um arco-íris. Diz-se que a Universidade do Havaí em Mānoa é frequentemente abençoada com a presença de Kahalapuna.

Para compreender melhor por que o arco-íris prevalece no Havaí, é útil ter algum conhecimento dos fenómenos do arco-íris. Infelizmente, o arco-íris, juntamente com outros efeitos óticos atmosféricos, muitas vezes é apenas brevemente abordado na educação em todos os níveis. Esta secção investiga a ciência por trás de como as esferas de água refletem e refratam a luz para criar a geometria cónica única de um arco-íris, bem como efeitos óticos mais avançados causados pela natureza ondulatória da luz e pela distribuição do tamanho das gotas de chuva na dispersão.

Os primeiros filósofos, como Aristóteles, Alexandre de Afrodísias, Avicena e Teodorico de Freiberg, especularam sobre a origem dos arco-íris e sabiam que eles apareciam quando a luz solar incidia sobre as gotas de chuva. No entanto, foi René Descartes quem primeiro forneceu uma explicação satisfatória do fenômeno do arco-íris em seu “Discours de la Méthode” em 1637. Descartes conduziu experimentos com esferas de vidro cheias de água, semelhantes aos feitos por Teodorico de Freiberg em 1304, e realizou raios quantitativos traçando a luz solar paralela usando a lei de refração correta, que ele derivou independentemente do cientista holandês Willebrord Snell. A análise de Descartes previu corretamente altas concentrações angulares de raios emergindo de uma gota esférica próxima ao ângulo de dispersão do arco-íris de α = 42°, conhecido como raio de Descartes, que é responsável pela faixa brilhante de cor vista no arco-íris primário.

O brilho do arco primário pode ser explicado pelo ângulo em que os raios entram e emergem de uma gota de chuva. De acordo com Descartes, cada gota projeta um cone de luz de volta ao sol com um ângulo de 42° em relação a um eixo paralelo a um raio solar que passa pelo centro da gota. Quando o olho do observador interceta a luz ao longo do cone de luz de uma gota, a gota contribui com um brilho de cor para o arco-íris do observador. Bilhões de gotas de chuva distribuídas ao longo de um cone nos ângulos de visão corretos contribuem para o fenómeno que percebemos como arco-íris primário. A altura do arco-íris é afetada pelo ângulo do sol acima do horizonte, com os arco-íris formando um arco alto em ângulos baixos e diminuindo de altura à medida que o sol nasce. O padrão é invertido à medida que o sol se põe à tarde, com os arco-íris mais altos aparecendo pouco antes do pôr do sol.

No Havaí, os arco-íris podem ser visíveis no inverno durante a maior parte do dia.

Quando um observador vê um corpo de água ou outra superfície reflexiva, ele pode ver uma imagem espelhada de seu próprio arco-íris. Este fenómeno ótico é conhecido como "arco-íris de reflexão" e é causado pelos mesmos princípios de refração e reflexão da luz que os arco-íris primário e secundário.

Durante o solstício de inverno, aproximadamente 78% das horas do dia, ou cerca de 8,5 horas, estão disponíveis para atividades ao ar livre. Em contraste, durante o solstício de verão, cerca de 58% das horas do dia, ou aproximadamente 6,5 horas, estão disponíveis para atividades ao ar livre. O arco-íris pode ser observado tanto pela manhã quanto à tarde no verão, aumentando a beleza natural da estação.

Quando a luz solar passa através de gotas de chuva esféricas, ela sofre duas reflexões internas, resultando em uma concentração de raios que emergem das gotas em um ângulo de dispersão de α = 51°. Isso cria um arco-íris secundário que aparece fora do arco-íris primário, com a ordem das cores invertida. A análise de Descartes determinou que nenhum raio pode ser desviado mais do que aproximadamente 42° ao longo de um caminho de raio envolvendo uma reflexão interna, e nenhum raio pode ser desviado mais de aproximadamente 51° ao longo de um caminho de raio envolvendo duas reflexões internas. Isso cria uma faixa escura entre os arco-íris primário e secundário, conhecida como faixa escura de Alexander, que não é completamente escura devido às fontes de luz extrínsecas e à dispersão da luz.

Descartes também descobriu que cada observador vê seu próprio arco-íris com base na localização das gotas de chuva em um ângulo de 42° de sua cabeça.

Arco-íris de reflexão também podem ser observados em superfícies reflexivas.

A descoberta do índice de refração para cada cor da luz foi um momento inovador no campo da ótica, abrindo caminho para a nossa compreensão atual do comportamento da luz. Agora é amplamente aceito que os arco-íris são formados através da refração e reflexão da luz solar nas gotas de chuva, com as cores do arco-íris resultantes da separação e refração de vários comprimentos de onda da luz em diferentes ângulos. A intrincada interação entre luz e água durante a formação do arco-íris pode resultar em múltiplos conjuntos de arco-íris, com variações de tamanho e cor dependendo do índice de refração do meio em que são formados.

Informado pelas crenças dos antigos sofistas gregos, Sir Isaac Newton optou por dividir o espectro visível em sete cores, que ele acreditava estarem ligadas a notas musicais, objetos conhecidos no sistema solar e aos dias da semana. Esta escolha, embora um tanto arbitrária devido à capacidade do olho humano de discernir mais de sete cores, ainda influencia a forma como descrevemos as cores de um arco-íris hoje.

Durante a época de Newton, havia uma controvérsia científica em torno de se a luz era uma partícula ou uma onda. Nem Descartes nem Newton tinham uma explicação para os arcos de cores ténues que às vezes eram visíveis dentro do arco primário e, mais raramente, fora do arco secundário. Esses arcos fracos, conhecidos como arcos supranumerários, são o resultado da difração da luz solar e foram descritos pela primeira vez por Airy em 1838 e Fraser em 1983. O aparecimento de arcos supranumerários causou grande consternação entre os cientistas porque não eram facilmente explicados.

A convergência dos ventos alísios com as cadeias montanhosas de Waianae, no Havaí, resulta em elevação orográfica, que amplifica a formação de nuvens e a precipitação nos lados de barlavento das ilhas. Este fenómeno leva a uma maior ocorrência de pancadas de chuva, proporcionando mais oportunidades para avistamentos de arco-íris. Além disso, as altas temperaturas da superfície do mar ao redor do Havaí criam uma atmosfera propícia para o desenvolvimento de nuvens convectivas e pancadas de chuva.

A combinação desses fatores, juntamente com os frequentes intervalos de sol e céu limpo entre as chuvas, estabelece o Havaí como o centro global para avistamentos de arco-íris.