Tęcza to jedno z najbardziej urzekających zjawisk przyrody, łączące w sobie elementy optyki, meteorologii i geometrii. Choć widzimy ją po intensywnych opadach, jej powstanie wymaga precyzyjnego współdziałania światła słonecznego z mikroskopijnymi kroplami wody.
Mechanizm załamania i rozszczepienia światła
Podstawą powstania tęczy jest zjawisko załamania światła, które zachodzi, gdy promień słoneczny wpada do kropli wody. Granica między powietrzem a wodą ma różne współczynniki załamania, co powoduje zmianę kierunku fali świetlnej. Im dłuższa droga w kropli, tym wyraźniejsze staje się zjawisko rozszczepienia światła na barwy składowe.
Załamanie na granicy dwóch ośrodków
- Światło białe składa się z fal o różnych długościach (od około 380 nm do 780 nm).
- Prędkość fal świetlnych w wodzie jest mniejsza niż w powietrzu, co powoduje zmianę kierunku promienia.
- Każda z barw ulega załamaniu pod nieco innym kątem – fioletowe fale ulegają największemu odchyleniu, czerwone najmniejszemu.
Wewnętrzne odbicie i ponowne wyjście promienia
Po wejściu do kropli światło przemieszcza się wewnątrz niej, a następnie pada na tylną powierzchnię. Tam może dojść do odbijania wewnętrznego. Część promieni jest wtedy ponownie rozpraszana w kierunku obserwatora. Przy sprzyjających kątach (około 42° dla barwy czerwonej i 40° dla fioletowej) promienie opuszczają kroplę i docierają do naszej siatkówki w formie widocznej tęczy.
Budowa i kształt kropli wodnych
Choć w podręcznikach często upraszcza się kształt kropli do idealnej sfery, w rzeczywistości może on przybierać formę spłaszczonej elipsoidy, zwłaszcza przy większych rozmiarach. Kształt zależy od równowagi między siłami powierzchniowymi a naciskiem powietrza.
Wpływ wielkości kropli
- Krople o średnicy do 0,1 mm zachowują niemal doskonały kształt sferyczny.
- Większe krople (0,5–2 mm) są lekko spłaszczone u dołu ze względu na opór powietrza podczas opadania.
- Mikroskopijne różnice w kształcie wpływają na ostrość i jednolitość kolorów tęczy.
Rola dyspersji wody
Woda jako ośrodek fizyczny posiada charakterystyczny dla danego związku chemicznego rozkład współczynnika załamania w funkcji długości fali. Ta dyspersja odpowiada za rozdzielanie promieni na poszczególne barwy, tworząc pełne spektrum widzialne.
Warunki atmosferyczne sprzyjające obserwacji
Choć tęcza może pojawić się o każdej porze roku, jej obserwacja wymaga kilku konkretnych warunków meteorologicznych. Kluczowe są opady, jasne niebo i pozycja Słońca na niebie.
Położenie Słońca
- Słabe światło przy niskim kącie padania (poniżej 42° nad horyzontem) umożliwia powstanie pełnego łuku tęczy.
- Przy Słońcu wysoko nad głową tęcza może być słabo widoczna lub w ogóle się nie utworzyć.
- Optymalna pora do obserwacji to wczesny poranek lub późne popołudnie.
Intensywność opadów i czystość powietrza
Delikatna mżawka rozprasza światło mniej skutecznie niż silniejsze opady. Aby uzyskać wyraziste kolory, potrzebne są krople o podobnych rozmiarach i niewielka zawartość zanieczyszczeń w powietrzu. Czystsze powietrze oznacza też mniejsze pochłanianie niektórych fal światła, co wpływa na nasycenie barw.
Wariacje zjawiska – podwójna tęcza i halo
Choć najczęściej obserwujemy pojedynczy łuk, natura potrafi zaskakiwać wariacjami. Dwie najpopularniejsze odmiany to tęcza podwójna oraz halo wokół Słońca lub Księżyca.
Tęcza podwójna
- Drugi, słabszy łuk powstaje przez dwukrotne wewnętrzne odbicie światła w kropli wodnej.
- Barwy w drugim łuku są odwrócone – na zewnątrz dominuje fiolet, a wewnątrz czerwony.
- Sekundarny łuk zawsze pojawia się powyżej głównego i jest mniej jaskrawy.
Halo i inne efekty
W warunkach silnie zamarzniętych chmur tworzą się kryształki lodu przypominające niewielkie pryzmaty. Światło może wtedy odbijać się i załamywać, tworząc charakterystyczne kręgi wokół tarczy słonecznej (halo). W takich sytuacjach barwy są mniej intensywne, ale zjawisko równie zachwyca obserwatorów.