Tęcza. Jak powstaje to zjawisko?

Tęcza, czyli wielobarwny łuk, jaki możemy obserwować na niebie, jest zjawiskiem jednocześnie meteorologicznym i optycznym.

Żeby powstało wrażenie tęczy, muszą zostać spełnione odpowiednie warunki meteorologiczne. Są nimi padający właśnie deszcz lub moment tuż po nim, kiedy kropelki wody wciąż unoszą się w powietrzu, a także świecące słońce i bezchmurne niebo.

Obserwujący tęczę musi być ustawiony plecami do Słońca, a samo Słońce nie może być wyżej niż 42 stopnie nad horyzontem. Dopiero po spełnieniu tych warunków meteorologicznych i optycznych możemy zobaczyć zjawisko tęczy.

Tęcza składa się zazwyczaj z 7 barw – czerwony (na zewnątrz łuku), pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski, indygo oraz fioletowy (wewnątrz łuku).

Światło i kolor są głównymi czynnikami tworzącymi wrażenie tęczy. Światło to promieniowanie elektromagnetyczne obejmujące zakres fal elektromagnetycznych o długości od 100 nm do 1 mm.

Fale elektromagnetyczne widziane przez człowieka obejmują zakres od 380 nm do 760 nm.

Spectrum wszystkich fal z zakresu od 380 do 760 nm daje wrażenie światła białego, ale pojedyncza fala o przypisanej długości z zakresu fal świata widzialnego, daje wrażenie koloru.

Przykładowo fala elektromagnetyczna o największej długości (635-770 nm) ma barwę czerwoną, natomiast najkrótsza – o długości 380-450 nm – jest odpowiedzialna za widzenie koloru fioletowego.

• Przedział o długości fali od 380 nm do 436 nm - fiolet,
• przedział o długości fali od 436 nm do 495 nm - niebieski,
• przedział o długości fali od 495 nm do 566 nm - zielony,
• przedział o długości fali od 566 nm do 589 nm - żółty,
• przedział o długości fali od 589 nm do 627 nm - pomarańczowy,
• przedział o długości fali od 627 nm do 780 nm - czerwony.

W momencie, kiedy promień słoneczny pada na kroplę wody, załamuje się w jej wnętrzu. Zjawisko to definiuje prawo Sneliusa.

Willebrord Snell znany także jako Snellius był holenderskim astronomem i matematykiem. W 1621 roku opublikował prawo załamania światła albo prawo refrakcji, które mówi, że promień światła przy przejściu granicy dwóch przezroczystych ośrodków o różnych współczynnikach załamania, zmienia kierunek.

Światło słoneczne, wnikając w krople deszczu, nie tylko zmienia kierunek, ale też ulega dyspersji, czyli zjawisku polegającym na rozszczepieniu światła białego na odseparowane od siebie fale różnej długości.

Dla światła monochromatycznego, czyli zawierającego fale tej samej częstotliwości, zjawisko dyspersji nie występuje.

Wszystkie fale, którym odpowiada barwa, przechodząc granicę ośrodka, na przykład wody, rozchodzą się z inną prędkością. Oznacza to, że załamują się pod różnymi kątami, co powoduje ich rozszczepienie.

Każda fala, której przyporządkowany jest kolor, ma inny współczynnik załamania. Inaczej załamie się, przechodząc przez granice kropli fala światła czerwonego, niebieskiego czy fioletowego.

Na przykład współczynnik załamania między wodą a powietrzem dla światła czerwonego to 1.331, a dla fioletowego to 1.344,

Dzięki temu zjawisku we wnętrzu kropli deszczu powstaje strumień rozdzielonych od siebie barw odpowiadających kolorom tęczy.

Ze względu na to, że kąt padania równa się kątowi odbicia, promień świata wpadający do kropli, odbije się od niej pod tym samym kątem. Jednak promień odbije się od kropli już rozproszony na wiązki barw.

Żeby zaobserwować zjawisko tęczy, promienie muszą padać dokładnie na wysokości wzroku obserwującego.

Barwy tęczy i ich kolejność możemy obserwować dzięki temu, że ze ściany kropel odbijających promienie słoneczne do obserwatora dociera rozproszone światło. To światło musi być skierowane pod odpowiednim kątem. Jest on możliwy tylko, jeśli Słońce nie będzie wyżej niż 42 stopnie nad horyzontem.

Oznacza to, że promienie odbite od kropli padają pod tym samym kątem - 42 stopni. Zatem tęcza jest okręgiem o szerokości kąta 42 stopnie, ze środkiem umiejscowionym naprzeciwko Słońca. Środek tego okręgu nazywa się punktem antysolarnym.

Ze względu na to, że Słońce jest za plecami obserwującego i nie wyżej niż 42 stopnie, nie jest możliwe zobaczenie tęczy jako okręgu. Cześć okręgu zawsze będzie schowana za horyzontem i dlatego obserwujemy tęczę w formie łuku.