Po deszczu słońce wychodzi zza chmur, a na niebie pojawia się kolorowy łuk. Pytanie, jak powstaje tęcza, prowadzi do prostego, ale efektownego połączenia trzech zjawisk: załamania, rozszczepienia i wewnętrznego odbicia światła. Wyjaśnię też, dlaczego tęcza ma określoną kolejność barw, kiedy można zobaczyć podwójny łuk i jak odtworzyć podobny efekt w domu.
Kolorowy łuk tworzą krople wody i światło obserwowane pod odpowiednim kątem
- Trzy zjawiska optyczne odpowiadają za powstanie tęczy: załamanie, rozszczepienie i odbicie światła.
- Potrzebne są promienie słoneczne za plecami obserwatora oraz krople deszczu przed nim.
- Światło białe rozdziela się na barwy, ponieważ każdy kolor załamuje się pod innym kątem.
- Czerwień znajduje się zwykle po zewnętrznej stronie łuku, a fiolet po wewnętrznej.
- Drugi, słabszy łuk powstaje po dwukrotnym odbiciu światła wewnątrz kropli.
Co musi się wydarzyć, żeby pojawiła się tęcza
Najłatwiej zobaczyć tęczę, gdy Słońce znajduje się za obserwatorem, a przed nim pada deszcz albo unosi się mgła. Krople nie muszą spadać dokładnie z chmury. Taki sam efekt może dać fontanna, wodospad, zraszacz ogrodowy czy rozpylona woda.
Liczy się także położenie Słońca. Zwykle powinno znajdować się stosunkowo nisko nad horyzontem, najlepiej poniżej około 42 stopni. Dlatego tęcze często pojawiają się rano lub po południu, a znacznie rzadziej w środku słonecznego dnia.
Deszcz przed obserwatorem działa jak ogromna zasłona złożona z milionów kropli. Każda z nich wysyła do oka tylko część światła, ale razem tworzą ciągły, barwny łuk. Zmiana miejsca o kilka kroków sprawia, że widzimy światło pochodzące z innych kropli, dlatego tęcza nie jest nieruchomym przedmiotem zawieszonym w jednym punkcie nieba.
Jak światło przechodzi przez pojedynczą kroplę
Mechanizm można prześledzić na przykładzie jednej kropli. Promień światła słonecznego przechodzi przez cztery najważniejsze etapy.
- Załamanie przy wejściu do kropli. Światło zmienia kierunek, ponieważ przechodzi z powietrza do wody.
- Rozszczepienie światła białego. Światło słoneczne jest mieszaniną wielu barw, a każda z nich załamuje się nieco inaczej.
- Wewnętrzne odbicie od tylnej powierzchni kropli. Promień zawraca i kieruje się ku jej przedniej części.
- Drugie załamanie podczas opuszczania kropli. Światło ponownie zmienia kierunek i może trafić do oka obserwatora.
Kropla działa podobnie jak mały, kulisty pryzmat, choć jej kształt nie jest idealny. Największą rolę odgrywają promienie, które wychodzą z kropli pod kątem około 40-42 stopni względem kierunku, z którego nadchodzi światło. Właśnie dlatego nie wystarczy sam deszcz. Potrzebne jest jeszcze odpowiednie ustawienie Słońca, kropli i obserwatora.
W praktyce pojedyncza kropla nie tworzy całej tęczy. Dostarcza jedynie światła o określonym kierunku i kolorze. Barwny łuk jest obrazem zbiorowym, powstającym dzięki ogromnej liczbie kropli znajdujących się w różnych miejscach chmury opadowej.
Dlaczego tęcza ma siedem barw
Popularny porządek barw to czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski, indygo i fioletowy. Trzeba jednak doprecyzować, że widmo światła jest ciągłe. Natura nie dzieli go na siedem ostrych pasków, a granice między kolorami płynnie się zacierają.
Czerwone światło załamuje się w wodzie słabiej niż fioletowe, dlatego trafia do obserwatora z nieco innego kierunku. W tęczy głównej czerwień znajduje się na zewnątrz łuku, a fiolet bliżej jego środka. To nie przypadek ani efekt barwnika w deszczu, tylko bezpośredni skutek różnych długości fal światła.
| Barwa | Położenie w tęczy głównej | Co ją wyróżnia |
|---|---|---|
| Czerwona | Zewnętrzna krawędź | Załamuje się najsłabiej spośród widocznych barw |
| Żółta i zielona | Środkowa część łuku | Zwykle są dobrze widoczne przy jasnym świetle |
| Niebieska i fioletowa | Wewnętrzna krawędź | Załamują się silniej niż czerwień |
To, ile kolorów rozpoznajemy, zależy od warunków. Przy słabej tęczy część barw może wyglądać jak jednolita smuga. Przy bardzo jasnym łuku dostrzegamy więcej przejść, ale nadal oglądamy jedno ciągłe widmo, a nie siedem odrębnych świateł.
Skąd bierze się kształt i położenie łuku
Tęcza ma kształt łuku, ponieważ światło dociera do oka tylko z kropli znajdujących się w określonym stożku kierunków. Z ziemi widzimy zwykle fragment okręgu, którego dolna część ginie za horyzontem albo w terenie.
Z wysokości, na przykład z samolotu lub wysokiego punktu widokowego, można czasem zobaczyć znacznie większą część okręgu, a w wyjątkowych warunkach nawet pełną tęczę. Nie oznacza to, że łuk jest fizycznie zamkniętym obiektem. To geometria obserwacji decyduje o tym, jaki fragment widzimy.
Wysokość tęczy zależy od wysokości Słońca. Gdy Słońce jest nisko, łuk znajduje się wyżej na niebie. Kiedy wznosi się wyżej, tęcza obniża się i może zniknąć poniżej linii horyzontu. Z tego powodu w południe, szczególnie latem, trudniej ją dostrzec.
Częsty mit mówi, że można podejść do końca tęczy i znaleźć tam skarb. Nie da się tego zrobić, ponieważ obserwator zmienia położenie względem kropli, a wraz z nim zmienia się widziany obraz. Tęcza podąża za geometrią światła, nie ma więc jednego miejsca, w którym się zaczyna lub kończy.
Podwójna tęcza i mniej oczywiste odmiany zjawiska
Drugi łuk pojawia się wtedy, gdy promień światła odbija się wewnątrz kropli dwa razy zamiast raz. Tęcza wtórna jest słabsza, ponieważ przy każdym odbiciu część energii światła ucieka z kropli.
Jej barwy układają się odwrotnie niż w łuku głównym. Od strony zewnętrznej widzimy fiolet, a od wewnętrznej czerwień. Przestrzeń między obiema tęczami może wydawać się ciemniejsza. Ten obszar nie jest pozbawiony światła, ale dociera do niego mniej promieni o kierunkach widocznych dla obserwatora.
Przy bardzo dużych kroplach kolory bywają intensywne, natomiast drobne krople mgły mogą tworzyć szeroki, bledszy łuk. W mgle obserwujemy czasem białawą tęczę, zwaną tęczą mgielną, ponieważ niewielkie krople silniej rozmywają barwy.
Tęczę można również zobaczyć przy świetle Księżyca. Mechanizm pozostaje taki sam, lecz światło jest dużo słabsze, więc kolory często wyglądają niemal na białe. Najlepiej szukać jej podczas jasnej pełni, gdy w powietrzu znajduje się wilgoć, a Księżyc jest stosunkowo wysoko.
Jak samodzielnie odtworzyć tęczę
Prosty eksperyment można przeprowadzić w słoneczny dzień za pomocą węża ogrodowego albo spryskiwacza. Stań plecami do Słońca i rozpylaj wodę przed sobą, tworząc drobną mgiełkę. Powoli zmieniaj kierunek strumienia, aż zobaczysz kolorowy łuk.
Możesz też użyć szklanki wypełnionej wodą i białej kartki. Ustaw naczynie przy oknie, tak aby światło przechodziło przez wodę i padało na kartkę. Efekt zależy od kąta ustawienia oraz od tego, czy światło jest wystarczająco mocne, dlatego czasem trzeba kilka razy zmienić położenie szklanki.
W tym doświadczeniu nie powstaje nowa barwa. Woda jedynie rozprowadza składniki światła białego pod różnymi kątami. To dobry sposób, by zobaczyć, że tęcza nie jest „kolorem deszczu”, lecz rezultatem współpracy światła, wody i geometrii.
Najważniejsza obserwacja podczas następnego deszczu
Gdy po opadach pojawi się słońce, najpierw sprawdź jego położenie. Jeśli masz je za plecami, a przed sobą widzisz pas deszczu lub mgły, warunki do powstania tęczy są obiecujące. Im niżej znajduje się Słońce, tym wyżej może pojawić się łuk i tym łatwiej dostrzec jego większy fragment.
Najprostszy skrót myślowy brzmi tak: światło wchodzi do kropli, rozdziela się na barwy, odbija od jej wnętrza i wychodzi w stronę obserwatora. Właśnie ta krótka droga przez zwykłą kroplę wody zamienia promienie słoneczne w jedno z najbardziej rozpoznawalnych zjawisk przyrody.
