Jak powstaje tęcza — wyjaśnienie zjawiska

Tęcza to jedno z tych zjawisk, które każdy widział, ale niewielu potrafi wyjaśnić. Mechanizm jest dobrze poznany i opiera się na trzech krokach zachodzących wewnątrz pojedynczej kropli wody.

Co dzieje się w kropli

1. Załamanie przy wejściu — promień słoneczny wpada do kropli i zmienia kierunek, bo woda jest ośrodkiem gęstszym optycznie niż powietrze.
2. Odbicie wewnętrzne — promień dociera do tylnej ścianki kropli i odbija się od niej, zawracając.
3. Załamanie przy wyjściu — opuszczając kroplę, promień ponownie zmienia kierunek.

Kluczowe jest to, że każda barwa załamuje się pod nieco innym kątem. Światło czerwone odchyla się najsłabiej, fioletowe najmocniej. To zjawisko nazywa się dyspersją i odpowiada za rozdzielenie białego światła na barwy składowe.

Dlaczego tęcza jest łukiem

Światło opuszcza kroplę pod stałym kątem — około 42 stopni dla barwy czerwonej i 40 dla fioletowej, licząc od kierunku przeciwnego do słońca. Do oka trafiają więc promienie tylko z tych kropel, które znajdują się dokładnie pod tym kątem.

Zbiór takich punktów tworzy okrąg. Z ziemi widzimy zwykle jego górną część, bo dolną przecina horyzont — stąd kształt łuku. Z samolotu tęczę można zobaczyć jako pełne koło.

Kolejność barw

Od zewnątrz do wewnątrz: czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski, indygo, fioletowy. Kolejność wynika wprost z kątów załamania — czerwień wychodzi pod największym kątem, więc trafia do oka z kropel położonych wyżej.

Warto wiedzieć, że podział na siedem barw jest umowny. Zaproponował go Isaac Newton, który chciał, by liczba kolorów odpowiadała liczbie dźwięków w skali muzycznej. W rzeczywistości przejścia są płynne i barw jest nieskończenie wiele.

Tęcza podwójna

Czasem nad główną tęczą pojawia się druga, słabsza. Powstaje, gdy światło odbija się wewnątrz kropli dwukrotnie, a nie raz. Każde odbicie oznacza stratę części energii, dlatego druga tęcza jest wyraźnie bledsza.

Ma też odwróconą kolejność barw — czerwień znajduje się od wewnątrz, fiolet na zewnątrz. To najprostszy sposób sprawdzenia, czy widzi się prawdziwą tęczę wtórną, czy tylko odbicie.

Obszar między obiema tęczami jest zauważalnie ciemniejszy niż otoczenie. Nazywa się go pasem Aleksandra, od greckiego uczonego, który opisał go w II wieku naszej ery.

Dlaczego każdy widzi własną tęczę

To najbardziej zaskakująca właściwość tego zjawiska. Tęcza nie znajduje się w konkretnym miejscu — jej położenie zależy od pozycji obserwatora, bo o tym, które krople trafiają światłem do oka, decyduje kąt względem tego oka.

Osoba stojąca kilka metrów dalej widzi tęczę utworzoną przez inne krople. Z tego samego powodu nie da się dojść do końca tęczy — przesuwa się razem z obserwatorem.

Kiedy można ją zobaczyć

Potrzebne są trzy warunki: krople wody w powietrzu, słońce za plecami obserwatora oraz odpowiednio niskie położenie słońca. Gdy słońce znajduje się wyżej niż 42 stopnie nad horyzontem, tęcza wypada poniżej linii horyzontu i staje się niewidoczna z ziemi.

Dlatego tęcze najczęściej widuje się rano i po południu, a w środku letniego dnia praktycznie nigdy.