Pojawianie się tęczy na niebie budzi zachwyt i ciekawość od wieków. To niezwykłe zjawisko optyczne wynikające z załamania i rozszczepienia światła słonecznego w kroplach wody, które działa niczym naturalny pryzmat. Zrozumienie mechanizmu powstawania tęczy pozwala dostrzec, jak skomplikowane procesy fizyczne przenikają świat przyrody, tworząc barwny spektakl na niebie.
Fizyka powstawania tęczy
Kluczowym elementem tęczy jest pojedyncza kropla wody, w której zachodzą trzy główne zjawiska optyczne: załamanie, odbicie i ponowne załamanie. Gdy promień światła wnika do wnętrza kropli, ulega on złamaniu i rozszczepieniu na składniki o różnych długościach fal. Każda barwa zmienia kierunek pod nieco innym kątem, co prowadzi do powstania widma kolorów:
- fioletowy pod kątem około 40°
- czerwony pod kątem około 42°
Następnie promień wewnątrz kropli zostaje częściowo odbity od tylnej ścianki, a następnie wydostaje się z kropli, znowu ulegając załamaniu. To właśnie podwójne załamanie i jedno odbicie sprawiają, że barwy rozchodzą się w formie łuku o określonym kącie względem promienia padania światła słonecznego.
Tęcza jest więc efektem dyspersji, czyli zjawiska, w którym prędkość i kierunek propagacji fal świetlnych zależą od ich długości. Woda zachowuje się jak maleńki spektrometr, rozdzielając światło białe na poszczególne kolory, pozwalając obserwatorowi dostrzec pełne widmo tęczy.
Barwy i ich rozmieszczenie
Tradycyjnie wyróżniamy siedem podstawowych barw tęczy: czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski, indygo i fioletowy. Kolejność wynika z malejącej długości fal elektromagnetycznych. Najdłuższe fale (czerwone) ulegają najmniejszemu załamaniu, zaś najkrótsze (fioletowe) – największemu. Rozkład barw w tęczy prezentuje się następująco:
- czerwony (ok. 620–740 nm)
- pomarańczowy (ok. 590–620 nm)
- żółty (ok. 570–590 nm)
- zielony (ok. 495–570 nm)
- niebieski (ok. 450–495 nm)
- indygo (ok. 425–450 nm)
- fioletowy (ok. 380–425 nm)
Dzięki dyspersji każda kropla wody przyczynia się do powstania wielu obrazów kolorów, a obserwator widzi tęczę jako barwny łuk. Im większe krople wody, tym kolory stają się bardziej wyraziste, ponieważ refleksja i załamanie są wówczas bardziej efektywne.
Rodzaje tęcz i zjawiska pokrewne
Poza tęczą podstawową można obserwować także inne wersje tego zjawiska:
- tęcza wtórna – utworzona przez dwa odbicia wewnątrz kropli, o odwrotnym układzie barw
- tęcza zewnętrzna – zjawisko rzadziej dostrzegalne przy dużej wilgotności powietrza
- tęcze dodatkowe – zwane także supersumeryjnymi, powstające przez wielokrotne odbicia
Wtórna tęcza
W tęczy wtórnej dochodzi do podwójnego odbicia wewnątrz każdej kropli, co powoduje odwrócenie kolejności barw: czerwony znajduje się od wewnątrz łuku, a fioletowy – na zewnątrz. Jest ona mniej intensywna, ponieważ każde dodatkowe odbicie osłabia światło.
Supernumerarie
W warunkach idealnie jednorodnych kropelek wody można dostrzec subtelne pasma kolorów wewnątrz głównego łuku tęczy. Są to efekty interferencji fal świetlnych, wymagające bardzo precyzyjnego rozmiaru kropelek.
Gloria i halo
Inne zjawiska atmosferyczne, takie jak halo, powstają w kryształkach lodu i często towarzyszą tęczy na większych wysokościach w chmurach. Gloria to kolorowe pierścienie wokół cienia obserwatora, widziane na chmurze lub mgiełce.
Czynniki wpływające na widoczność
Widoczność tęczy zależy od wielu czynników meteorologicznych i geometrycznych. Do najważniejszych należą:
- położenie słońca – im niżej nad horyzontem, tym wyższy łuk tęczy
- wielkość i jednorodność kropelek – większe dają wyraźniejsze barwy
- wilgotność powietrza – wysoka sprzyja powstawaniu wielu kropli
- kąt obserwatora – optymalny kąt między promieniem słonecznym a kierunkiem widzenia wynosi około 42°
- zmiana polaryzacji światła – woda może częściowo spolaryzować promienie, co wpływa na intensywność kolorów
Obserwator musi mieć słońce za plecami, a przed sobą opad deszczu lub mgłę, co zapewnia właściwe warunki do wystąpienia tęczy. Dzięki zrozumieniu tych warunków można przewidzieć, kiedy i gdzie na niebie ujrzeć barwny łuk.
