[8] [Seria: Eksperymentarium zjawisk atmosferycznych.] Tajemnica tęczy.

Tęcza

Zbliża się okres, w którym tęcza będzie nam często towarzyszyła :).

Jest to zjawisko optyczne i meteorologiczne występujące w postaci charakterystycznego wielobarwnego łuku, widocznego, gdy Słońce lub Księżyc oświetla krople wody w atmosferze ziemskiej. Tęcza powstaje w wyniku rozszczepienia światła, załamującego i odbijającego się wewnątrz kropli deszczu.

Rozszczepienie światła jest wynikiem zjawiska DYSPRAKCJI, powodującego różnice w kącie załamania światła o różnej długości fali przy przejściu z powietrza  do wody i z wody do powietrza.
Pierwszym człowiekiem, który zadowalająco wyjaśnił zjawisko tęczy był Rene Descartes (Kartezjusz).

Postanowił on przeanalizować drogę promieni świetlnych przechodzących przez bardzo dużą krople wody (było to wielkie kuliste naczynie wypełnione wodą).Na podstawie doświadczeń oraz rozważań teoretycznych doszedł do wniosku, że jaskrawa (główna)tęcza powstaje wtedy, gdy światło wchodzi do kulistej kropli wody, odbija się wewnątrz niej i wychodzi na zewnątrz.

Skąd się biorą kolory?

Pierwszą próbę racjonalnego wyjaśnienia zjawiska powstawania tęczy przeprowadził prawdopodobnie Arystoteles, pisząc, że tęcza jest niezwykłym rodzajem odbicia światła słonecznego od chmur. Przez wieki badacze zgłębiali tajemnice tego zjawiska, ale dopiero na początku XVIII wieku Izaak Newton oznajmił, że białe światło jest mieszaniną światła o różnych barwach, a jego współczynnik załamania w wodzie jest różny dla światła o różnej barwie. I tak: światło czerwone przechodząc z powietrza do wody załamuje się w mniejszym stopniu niż niebieskie i wychodzi z wody pod innym kątem. Rozmiary kątowe łuku są różne dla każdego koloru. Tęcza jest zatem wizualnym rezultatem złożenia ciągu łuków o odmiennnych rozmiarach i kolorach. Oto odpowiednia kolejność barw pojawiających się na niebie: czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski, granatowy i fioletowy.


Ciekawostki:
Tęcza pojawia się na niebie zawsze po przeciwnej stronie niż znajduje się Słońce. Składa się z dwóch łuków, z tym, że przeważnie widoczny jest tylko łuk pierwszy. Jego promień zewnętrzny wynosi 42.5 stopnia.

Widmo składa się z siedmiu kolorów, od czerwonego na zewnątrz do fioletowego wewnątrz łuku. Natomiast w drugim łuku kolory są odwrócone, czyli od fioletowego do czerwonego. Dzieje się tak na skutek dwukrotnego odbicia rozszczepionego światła. Promień tego łuku to 54 stopnie.


Z powierzchni Ziemi tęcza widziana jest zawsze jako kolorowy łuk. Okazuje się, że obserwator ziemski widzi tylko jej część. W rzeczywistości powstaje bowiem wielobarwny okrąg i właśnie tak jest widziana z pokładu samolotu.


Dlaczego są dwie tęcze ?

Czasami możemy dostrzec drugi, nieco większy łuk tęczy, pojawiający się nad pierwszym. Jest to efekt podwójnego załamania światła w kroplach wody. Odbite światło wychodzi z kropli pod kątem 51 stopni i właśnie taką szerokość kątową posiada wtórny łuk tęczy. Natężenie barw w łuku wtórnym zawsze będzie mniejsze niż w pierwotnym łuku tęczy. Dzieje się tak dlatego, że część światła zostaje rozproszona podczas drugiego załamania wewnątrz kropli wody.

Już dzieci zadają nam to pytanie, kiedy tylko ją pierwszy raz zobaczą: mamo, tato, jak powstaje tęcza? I co mamy odpowiedzieć naszym maluchom? Warto poznać prawidłową definicję i później dostosować ją do wieku dziecka, odpowiednio upraszczając schemat powstawania kolorowej wstęgi na niebie.

Wiemy dobrze, że białe światło to mieszanina różnych innych barw. Każdy kolor ma inna długość fali. Największą długość ma kolor czerwony, najmniejszą: fioletowy. To oczywiście tłumaczy ułożenie kolorów na wstędze tęczy. Najkrócej i najprościej mówią: tęcza powstaje poprzez załamanie się światła. Fizyka tłumaczy to w ten sposób: promienie słoneczne odbijają się w kroplach wody i załamuje się światło białe, rozszczepiając się na różne kolory.

Kropelki deszczu działają w tym wypadku jak malutkie pryzmaty. Trudno zapewne wytłumaczyć do dziecku. Możemy mu powiedzieć, że światło przechodzi przez kropelki wody i powstaje tęcza, na bardziej skomplikowane wyjaśnienia przyjdzie czas na lekcji fizyki w szkole. :)

Pozdrawiam,
Dorota