Jak powstaje tęcza i czy można jej dotknąć?

Zjawiska świetlne w atmosferze od wieków budzą zainteresowanie, jednak ich struktura opiera się na ściśle skodyfikowanych prawach fizyki i geometrii przestrzennej. Analizując, jak powstaje tęcza, badacze skupiają się na dwóch podstawowych procesach: refrakcji oraz dyspersji promieniowania elektromagnetycznego. Optyka atmosferyczna klasyfikuje ten proces nie jako anomalię, lecz jako w pełni przewidywalny fotometeor.

Zgodnie z definicjami Światowej Organizacji Meteorologicznej (WMO), do wystąpienia wielobarwnego łuku konieczna jest jednoczesna obecność zawieszonych w powietrzu drobin wody oraz bezpośredniego źródła światła (zazwyczaj słońca). Zjawisko to zachodzi zgodnie z precyzyjnymi kątami załamań, co czyni je doskonałym przykładem naturalnego pryzmatu, rozszczepiającego światło białe na długości fal w zakresie od 400 do 700 nm.

Za to, że na niebie pojawia się fizyka powstawania tęczy, odpowiada załamanie (refrakcja) i wewnętrzne odbicie światła w kroplach deszczu. Łuk tęczy nie ma formy materialnej, jest jedynie obrazem optycznym (złudzeniem). Z tego względu, weryfikując czy można dotknąć tęczy, fizyka odpowiada jednoznacznie: jest to absolutnie niemożliwe.

Fizyka powstawania tęczy: załamanie, odbicie i rozszczepienie

Kiedy wiązka światła słonecznego trafia w sferyczną kroplę deszczu, następuje skokowa zmiana gęstości ośrodka (światło przechodzi z powietrza do wody). Opracowania Zakładu Fizyki Atmosfery IGF PAN wskazują, że fala świetlna ulega w tym punkcie załamaniu, a następnie dociera do tylnej, wewnętrznej ściany kropli. Tam następuje odbicie wewnętrzne, kierujące promienie z powrotem ku obserwatorowi. Podczas opuszczania kropli, światło załamuje się po raz drugi.

Ten wieloetapowy proces wymusza dyspersję, czyli rozszczepienie światła białego na jego barwy składowe. Różne długości fal świetlnych załamują się pod nieznacznie odmiennymi kątami. Światło o najdłuższej fali (czerwone) opuszcza kroplę pod kątem 42,4 stopnia, z kolei fala najkrótsza (fioletowa) odchyla się pod kątem 40,6 stopnia względem pierwotnej wiązki. Stąd wynika stały układ kolorów głównego łuku.

• Refrakcja (załamanie): Pierwszy etap zjawiska, podczas którego promienie świetlne wnikają do kropli wody, zmieniając prędkość i kierunek propagacji fali.
• Odbicie wewnętrzne: Krytyczny moment, w którym część światła odbija się od tylnej "ścianki" kropli (zapobiega to przepuszczeniu światła wyłącznie w jednym kierunku).
• Dyspersja (rozszczepienie): Rozwarstwienie wiązki promieni słonecznych na poszczególne pasma barwne widma widzialnego (od czerwieni po fiolet).

Czy można dotknąć tęczy? Geometria wirtualnego obrazu

Pytanie o to, czy można dotknąć tęczy, często przewija się w edukacji przyrodniczej. Odpowiedź wymaga odwołania się do podstaw optyki geometrycznej. Raporty z badań fizycznych definitywnie potwierdzają, że łuk ten nie stanowi żadnej struktury materialnej. Jest to wyłącznie projekcja obrazu (obraz wirtualny), który powstaje bezpośrednio na siatkówce oka obserwatora pod określonym kątem.

Każda osoba obserwująca zjawisko w terenie widzi de facto "swoją własną" tęczę. Zależy ona od dokładnego punktu odniesienia układu słońce-krople-obserwator. Jeśli przemieścisz się o kilkanaście metrów w stronę łuku, zmieni się kąt padania promieni z dotychczasowych kropel, a światło zacznie docierać z innej warstwy opadu. Tęcza "oddali się" o dokładnie taki sam dystans, jaki właśnie pokonałeś.

• Niematerialność zjawiska: Łuk to jedynie suma fotonów odbitych pod kątem ok. 42 stopni względem osi optycznej obserwatora.
• Zależność perspektywiczna: Dwie osoby stojące obok siebie odbierają sygnał świetlny załamany przez dwa zupełnie różne zestawy kropel deszczu.
• Punkt antysolarny: Geometryczny środek łuku tęczy leży zawsze na linii prostej poprowadzonej od słońca, przez oko obserwatora, w stronę ziemi.

Praktyczne aspekty: najlepsze warunki do obserwacji tęczy

Aby zarejestrować parametry tego fotometeoru, nie jest wymagany sprzęt laboratoryjny, lecz spełnienie kilku geometrycznych założeń w terenie. Zgodnie z wytycznymi meteorologicznymi dla punktów obserwacyjnych, kluczowa jest jednoczesna ekspozycja na opad (lub zawiesinę wodną) i bezpośrednie promieniowanie słoneczne, padające zza pleców obserwatora.

Planując najlepsze warunki do obserwacji tęczy, celuj w godziny wczesnoporanne lub późnopopołudniowe. Wynika to z mechaniki sfery niebieskiej: jeżeli słońce wznosi się na wysokość przekraczającą 42 stopnie nad horyzontem, wierzchołek łuku tęczy automatycznie chowa się poniżej linii horyzontu terenowego. W upalne południa zjawisko to na naturalnym niebie jest zatem optycznie niemożliwe do dostrzeżenia (poza pokładem samolotu).

• Elewacja słońca: Wymagany kąt wysokości źródła światła to poniżej 42 stopni. Im niżej znajduje się tarcza słoneczna, tym wyższy i pełniejszy łuk obserwujemy.
• Pozycja i orientacja: Musisz bezwzględnie stać tyłem do słońca (źródła światła), patrząc w kierunku kurtyny wodnej (opadającego deszczu, mgły lub wodospadu).
• Kontrast tła: Rozszczepienie barw wykazuje największą czytelność fotometryczną na tle ciemnego wału chmur burzowych (Cb) ustępujących z danego obszaru.

Podsumowanie naukowej natury zjawiska

Fizyka i meteorologia bezbłędnie wyjaśniają, dlaczego zjawisko to przez wieki owiane było wieloma mitami. Rozbicie światła na drobinkach wody stanowi idealny model dyspersji naturalnej. Odpowiadając ostatecznie na postawione pytania badawcze: tęcza powstaje dzięki skomplikowanej grze refrakcji i odbić, a ze względu na swój niematerialny, geometryczny charakter perspektywiczny, nie wchodzi w jakiekolwiek interakcje dotykowe z otoczeniem.