Tęcza. Skąd się wzięła?

Tęcza jest zjawiskiem optycznym należącym do grupy fotometeorów. Jest obserwowana na tle chmur opadowych, które znajdują się po przeciwnej stronie położenia Słońca lub Księżyca.

 

• Według Międzynarodowej Organizacji Meteorologicznej tęczą nazywamy układ koncentrycznych łuków o barwach od fioletowej do czerwonej, występujących na tle sklepienia niebieskiego, wywołanych przez światło Słońca lub Księżyca, padające na zespół spadających kropel wody w atmosferze (krople deszczu, krople mżawki lub mgły), które występują zawsze po przeciwnej stronie Słońca.

Tęcza. Skąd się wzięła?

Uważny obserwator spostrzeże, że oprócz łuku głównego, czasami można zaobserwować łuk wtórny, który charakteryzuje się większymi rozmiarami kątowymi, mniejszą jasnością oraz odwróconą kolejnością barw. Najpiękniejsze tęcze są obserwowane tuż po burzy, a więc na tle chmur Cumulonimbus. Tęcza po burzy charakteryzuje się bardzo dużą jaskrawością wąskich łuków z wyraźnie oddzielonymi barwami.

Pierwsze wyjaśnienie mechanizmu powstawania tęczy podał w 1637 roku Kartezjusz, według którego za powstanie tęczy odpowiadają prawa optyki geometrycznej a dokładniej odbicie i załamanie światła, które zachodzą w opadających kroplach opadowych. Teoria dyfrakcyjna tęczy została zaproponowana przez Airy’ego.

Fizyka tęczy

Światło słoneczne docierające do Ziemi rozchodzi się w atmosferze, w której znajdują się obszary z chmurami zbudowanych z kropelek chmurowych oraz opadających kropel opadowych. Kiedy rozchodzące się w atmosferze promienie słoneczne natrafią na opadającą krople deszczu, po dotarciu do jej powierzchni, ulegają częściowemu odbiciu, zgodnie z prawe odbicia oraz częściowemu załamaniu, zgodnie z prawem załamania.

Promień świetlny ulega załamaniu dlatego, że przechodzi z ośrodka mniej gęstego optycznie (powietrze) do ośrodka gęstszego optycznie (woda). Kiedy promień światła wnika do kropli przez górną jej powierzchnię, to kontynuuje swój ruch po linii prostej (zakładając, że właściwości optyczne kropli są jednorodne) tak długo, aż dotrze do granicy kropli, ale od jej wewnętrznej strony, gdzie ulega częściowemu wewnętrznemu odbiciu i częściowemu załamaniu.

Intensywność promienia odbitego będzie mniejsza. Intensywność promienia odbitego i załamanego zależeć będzie od kąta padania. Im mniejszy jest kąt padania tym większa jest intensywność promienia załamanego i mniejsza intensywność promienia odbitego. Po odbiciu, kierunek promienia się zmieni, ale ponownie światło będzie poruszało się po linii prostej, tak długo, aż dotrze do wewnętrznej krawędzi kropli. Wówczas promień światła ulegnie częściowemu załamaniu i częściowemu odbiciu.

Załamany promień opuszcza krople z przedniej dolnej części kropli. Taki proces przebiega na wszystkich kroplach deszczowych. W efekcie końcowym obserwator podziwia piękny łuk tęczy, których charakteryzuje się piękną paletą barw.   

Co na to Newton?

Zagadkę kolorów tęczy wyjaśnił Izaak Newton. Za kolorystykę tęczy odpowiedzialne jest zjawisko dyspersji. Światło białe jest mieszaniną światła o różnej długości fali. Eksperymentalnie można sprawdzić (oświetlając pryzmat wiązką światła białego otrzymuje się barwną smugę) a teoretycznie udowodnić, że współczynnik załamania światła jest zależny od długości fali. Im długość fali jest krótsza tym współczynnik załamania będzie większy. Zatem oświetlając krople światłem białym, podczas pierwszego i drugiego załamania promieni świetlnych nastąpi rozszczepienie. Światło fioletowe ulegnie załamaniu pod większym kątem w porównaniu ze światłem czerwonym.

W rezultacie końcowym w łuku głównym tęczy od strony wewnętrznej występuje barwa fioletowa, zaś po zewnętrznej stronie łuku zaobserwujemy barwę czerwoną.