Tęcza - Rainbow

W przypadku innych zastosowań zobacz Rainbow (ujednoznacznienie) .

Podwójna tęcza i tęcze nadliczbowe po wewnętrznej stronie łuku pierwotnego. Cień głowy fotografa na dole wyznacza środek koła tęczowego ( punkt antysłoneczny ).

Tęczy jest meteorologiczne zjawisko, które jest spowodowane przez odbicie , załamanie i rozproszenie światła w kropelek wody, co prowadzi w widmie światła znajdującej się w przestrzeni powietrznej. Przybiera formę wielobarwnego okrągłego łuku . Tęcze wywołane przez światło słoneczne zawsze pojawiają się w części nieba naprzeciwko Słońca.

Tęcze mogą być pełnymi kołami. Jednak obserwator zwykle widzi tylko łuk utworzony przez oświetlone krople nad ziemią i wyśrodkowany na linii od Słońca do oka obserwatora.

W pierwotnej tęczy łuk ma kolor czerwony na zewnętrznej części i fioletowy na wewnętrznej stronie. Ta tęcza jest spowodowana załamywaniem się światła podczas wchodzenia do kropli wody, a następnie odbijaniem się od tyłu kropli i ponownym załamywaniem się, gdy ją opuszczamy.

W podwójnej tęczy drugi łuk jest widoczny na zewnątrz łuku głównego i ma odwróconą kolejność kolorów, z czerwonym po wewnętrznej stronie łuku. Jest to spowodowane dwukrotnym odbiciem światła od wnętrza kropli przed jej opuszczeniem.

Przegląd

Obraz końca tęczy w Parku Narodowym Jasper

Tęcza nie znajduje się w określonej odległości od obserwatora, ale pochodzi z iluzji optycznej spowodowanej przez kropelki wody oglądane pod pewnym kątem w stosunku do źródła światła. Tak więc tęcza nie jest przedmiotem i nie można się do niej fizycznie zbliżyć. Rzeczywiście, obserwator nie jest w stanie zobaczyć tęczy z kropelek wody pod jakimkolwiek innym kątem niż zwykły 42 stopnie od kierunku przeciwnego do źródła światła. Nawet jeśli obserwator zobaczy innego obserwatora, który wydaje się „pod” lub „na końcu” tęczy, drugi obserwator zobaczy inną tęczę — dalej — pod tym samym kątem, pod którym widzi pierwszy obserwator.

Tęcze obejmują nieprzerwane spektrum kolorów. Wszelkie widoczne pasma są artefaktem ludzkiego widzenia barw , a na czarno-białym zdjęciu tęczy nie widać żadnych pasm , a jedynie płynną gradację intensywności do maksimum, a następnie zanikanie w kierunku drugiej strony. Jeśli chodzi o kolory widziane przez ludzkie oko, najczęściej cytowaną i zapamiętywaną sekwencją jest siedmiokrotna czerwień, pomarańcz, żółty, zielony, niebieski, indygo i fiolet Isaaca Newtona , zapamiętana przez mnemonika Richarda z Yorku Gave Battle In Vain ( ROYGBIV ). Inicjalizm jest czasami określany w odwrotnej kolejności, jako VIBGYOR.

Tęcze mogą być spowodowane przez wiele form wody unoszącej się w powietrzu. Należą do nich nie tylko deszcz, ale także mgła, rozpryski i unosząca się w powietrzu rosa .

Widoczność

Tęcze mogą tworzyć się w strumieniu wodospadu (tzw. łuki natryskowe )
Mistbow nad Moor w Szkocji
W sprayu stworzonym przez fale mogą tworzyć się tęcze

Tęcze można zaobserwować za każdym razem, gdy w powietrzu pojawiają się krople wody, a światło słoneczne padające zza obserwatora pod niewielkim kątem wysokości . Z tego powodu tęcze są zwykle widoczne na zachodnim niebie rano i na wschodnim niebie wczesnym wieczorem. Najbardziej spektakularne pokazy tęczy mają miejsce, gdy połowa nieba jest jeszcze ciemna z deszczowymi chmurami, a obserwator znajduje się w miejscu o czystym niebie w kierunku Słońca. Rezultatem jest świetlista tęcza, która kontrastuje z przyciemnionym tłem. Podczas tak dobrej widoczności często widoczna jest większa, ale słabsza tęcza wtórna . Pojawia się około 10° poza główną tęczą, w odwrotnej kolejności kolorów.

Erupcja Castle Geyser , Park Narodowy Yellowstone , z podwójną tęczą widoczną we mgle

Efekt tęczy jest również często spotykany w pobliżu wodospadów lub fontann. Dodatkowo efekt można wywołać sztucznie, rozpraszając kropelki wody w powietrze podczas słonecznego dnia. Rzadko w mocno księżycowe noce można zobaczyć łuk księżycowy, tęczę księżycową lub tęczę nocną. Ponieważ ludzkie postrzeganie kolorów jest słabe w słabym świetle, łuki księżycowe są często postrzegane jako białe.

Sfotografowanie całego półkola tęczy w jednym kadrze jest trudne, ponieważ wymagałoby to kąta widzenia 84°. W przypadku aparatu 35 mm wymagany byłby obiektyw szerokokątny o ogniskowej 19 mm lub mniejszej. Teraz, gdy dostępne jest oprogramowanie do łączenia kilku obrazów w panoramę , obrazy całego łuku, a nawet łuków drugorzędnych można dość łatwo utworzyć z serii nakładających się ramek.

Spod Ziemi, np. w samolocie, czasami można zobaczyć tęczę jako pełne koło . Zjawisko to można pomylić ze zjawiskiem chwały , ale chwała jest zwykle znacznie mniejsza i obejmuje tylko 5–20°.

Niebo wewnątrz pierwotnej tęczy jest jaśniejsze niż niebo na zewnątrz łuku. Dzieje się tak, ponieważ każda kropla deszczu jest kulą i rozprasza światło na całym okrągłym dysku na niebie. Promień dysku zależy od długości fali światła, przy czym światło czerwone jest rozpraszane pod większym kątem niż światło niebieskie. Na większości dysku światło rozproszone na wszystkich długościach fal nakłada się na siebie, co skutkuje białym światłem, które rozjaśnia niebo. Na brzegu zależność rozpraszania od długości fali powoduje powstanie tęczy.

Światło pierwotnego łuku tęczowego jest w 96% spolaryzowane stycznie do łuku. Światło drugiego łuku jest w 90% spolaryzowane.

Liczba kolorów w widmie lub tęczy

Widmo uzyskane przy użyciu pryzmatu szkła i źródło punktowe jest kontinuum od długości fali, nie zespołów. Liczba kolorów, które ludzkie oko jest w stanie rozróżnić w widmie, jest rzędu 100. W związku z tym system kolorów Munsella (XX-wieczny system liczbowego opisu kolorów, oparty na równych krokach dla ludzkiej percepcji wzrokowej) rozróżnia 100 odcienie. Pozorna dyskretność głównych kolorów jest artefaktem ludzkiej percepcji, a dokładna liczba głównych kolorów jest nieco arbitralnym wyborem.

Newton, który przyznał, że jego oczy nie były zbyt krytyczne w rozróżnianiu kolorów, pierwotnie (1672) podzielił widmo na pięć głównych kolorów: czerwony, żółty, zielony, niebieski i fioletowy. Później dołączył pomarańcz i indygo, podając siedem głównych kolorów przez analogię do liczby nut w skali muzycznej. Newton zdecydował się podzielić widmo widzialne na siedem kolorów z przekonania wywodzącego się z wierzeń starożytnych greckich sofistów , którzy uważali, że istnieje związek między kolorami, nutami, znanymi obiektami w Układzie Słonecznym i czasami tydzień. Uczeni zauważyli, że to, co Newton uważał w tamtym czasie za „niebieskie”, byłoby dziś uważane za błękitne, a to, co Newton nazywał „indygo”, byłoby dziś uważane za niebieskie.

Tęcza (środek: rzeczywista, dół: obliczona) w porównaniu do rzeczywistego spektrum (góra): nienasycone kolory i inny profil kolorów
Pierwsze kolory Newtona czerwony Żółty Zielony Niebieski Fioletowy
późniejsze kolory Newtona czerwony Pomarańczowy Żółty Zielony Niebieski Indygo Fioletowy
Nowoczesne kolory czerwony Pomarańczowy Żółty Zielony Cyjan Niebieski Fioletowy

Kolorystyka tęczy różni się od widma, a kolory są mniej nasycone. W tęczy występuje rozmazanie widmowe, ponieważ dla dowolnej długości fali występuje rozkład kątów wyjścia, a nie pojedynczy, niezmienny kąt. Ponadto tęcza jest niewyraźną wersją łuku uzyskaną ze źródła punktowego, ponieważ średnica tarczy Słońca (0,5°) nie może być pominięta w porównaniu z szerokością tęczy (2°). Dalsza czerwień pierwszej tęczy uzupełniającej nakłada się na fiolet tęczy pierwotnej, a więc zamiast koloru końcowego będącego wariantem fioletu widmowego, jest to w rzeczywistości fiolet. Liczba kolorowych pasm tęczy może zatem różnić się od liczby pasm w widmie, zwłaszcza jeśli kropelki są szczególnie duże lub małe. Dlatego liczba kolorów tęczy jest zmienna. Jeśli jednak słowo tęcza zostanie użyte nieprecyzyjnie w odniesieniu do widma , jest to liczba głównych kolorów w widmie.

Pytanie, czy każdy widzi w tęczy siedem kolorów, wiąże się z ideą językowej teorii względności . Sugerowano, że istnieje uniwersalność w sposobie postrzegania tęczy. Jednak nowsze badania sugerują, że liczba obserwowanych wyraźnych kolorów i ich nazwy zależą od używanego języka, a ludzie, których język ma mniej kolorowych słów, widzą mniej dyskretnych pasm kolorów.

Wyjaśnienie

Promienie światła wpadają do kropli deszczu z jednego kierunku (zazwyczaj w linii prostej od Słońca), odbijają się od tyłu kropli i rozchodzą się, gdy opuszczają kroplę deszczu. Światło opuszczające tęczę jest rozłożone pod szerokim kątem, z maksymalnym natężeniem pod kątami 40,89-42°. (Uwaga: od 2 do 100% światła odbija się od każdej z trzech napotkanych powierzchni, w zależności od kąta padania. Ten diagram pokazuje tylko ścieżki odpowiadające tęczy.)
Białe światło rozdziela się na różne kolory po wejściu do kropli deszczu z powodu dyspersji, powodując, że czerwone światło jest załamywane mniej niż niebieskie.

Kiedy światło słoneczne napotyka kroplę deszczu, część światła jest odbijana, a reszta przechodzi przez kroplę deszczu. Światło załamuje się na powierzchni kropli. Kiedy to światło pada na tył kropli deszczu, jego część odbija się od tyłu. Kiedy odbite wewnętrznie światło ponownie dociera do powierzchni, ponownie część jest odbijana wewnętrznie, a część załamywana, gdy wychodzi z kropli. (Światło, które odbija się od kropli, wychodzi z tyłu lub nadal odbija się wewnątrz kropli po drugim zetknięciu z powierzchnią, nie ma znaczenia dla formowania się pierwotnej tęczy.) Ogólny efekt jest taki, że ta część wpadające światło jest odbijane z powrotem w zakresie od 0° do 42°, przy czym najbardziej intensywne światło jest przy 42°. Ten kąt jest niezależny od wielkości kropli, ale zależy od jego współczynnika załamania światła . Woda morska ma wyższy współczynnik załamania światła niż woda deszczowa, więc promień „tęczy” w mgle morskiej jest mniejszy niż prawdziwej tęczy. Jest to widoczne gołym okiem po niewspółosiowości tych łuków.

Powodem, dla którego powracające światło jest najbardziej intensywne przy około 42°, jest to, że jest to punkt zwrotny – światło uderzające w najbardziej zewnętrzny pierścień kropli zostaje zwrócone pod kątem mniejszym niż 42°, podobnie jak światło uderzające w kroplę bliżej jej środka. Istnieje okrągła wiązka światła, która jest zwracana dokładnie około 42°. Gdyby Słońce było laserem emitującym równoległe, monochromatyczne promienie, wówczas luminancja (jasność) łuku pod tym kątem dążyłaby do nieskończoności (ignorując efekty interferencji). (Patrz Kaustyka (optyka) .) Ale ponieważ luminancja Słońca jest skończona, a jego promienie nie są wszystkie równoległe (zakrywa około pół stopnia nieba), luminancja nie idzie w nieskończoność. Ponadto stopień załamania światła zależy od jego długości fali , a tym samym od jego koloru. Ten efekt nazywamy dyspersją . Światło niebieskie (krótsza długość fali) jest załamywane pod większym kątem niż światło czerwone, ale z powodu odbicia promieni świetlnych od tyłu kropli, niebieskie światło wychodzi z kropli pod mniejszym kątem do oryginalnego padającego białego światła niż czerwone światło. Ze względu na ten kąt, niebieski jest widoczny po wewnętrznej stronie łuku tęczy pierwotnej, a czerwony na zewnątrz. Rezultatem tego jest nie tylko nadanie różnych kolorów różnym częściom tęczy, ale także zmniejszenie jasności. ("Tęcza" utworzona przez kropelki cieczy bez dyspersji byłaby biała, ale jaśniejsza niż normalna tęcza.)

Światło z tyłu kropli nie ulega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu , a część światła wydobywa się z tyłu. Jednak światło wychodzące z tyłu kropli nie tworzy tęczy między obserwatorem a Słońcem, ponieważ widma emitowane z tyłu kropli nie mają maksymalnej intensywności, jak robią to inne widoczne tęcze, a zatem kolory mieszają się razem zamiast tworzyć tęczę.

Tęcza nie istnieje w jednym konkretnym miejscu. Istnieje wiele tęczy; jednak tylko jeden można zobaczyć w zależności od punktu widzenia konkretnego obserwatora jako krople światła oświetlone przez słońce. Wszystkie krople deszczu załamują się i odbijają światło słoneczne w ten sam sposób, ale tylko światło z niektórych kropli dociera do oka obserwatora. To światło stanowi tęczę dla tego obserwatora. Cały układ złożony z promieni słonecznych, głowy obserwatora i (kulistych) kropel wody ma osiową symetrię wokół osi przechodzącej przez głowę obserwatora i równoległą do promieni słonecznych. Tęcza jest zakrzywiona, ponieważ zestaw wszystkich kropli deszczu, które mają kąt prosty między obserwatorem, kroplą i Słońcem, leżą na stożku skierowanym w stronę słońca z obserwatorem na końcu. Podstawa stożka tworzy okrąg pod kątem 40-42° do linii między głową obserwatora a jego cieniem, ale 50% lub więcej okręgu znajduje się poniżej horyzontu, chyba że obserwator znajduje się wystarczająco daleko nad powierzchnią ziemi, aby zobacz to wszystko, na przykład w samolocie (patrz wyżej). Alternatywnie, obserwator z odpowiednim punktem obserwacyjnym może zobaczyć pełne koło w strumieniu fontanny lub wodospadu.

Wyprowadzenie matematyczne

Wyprowadzenie matematyczne

Możliwe jest określenie postrzeganego kąta, pod którym tęcza znajduje się w następujący sposób.

Biorąc pod uwagę kulistą kroplę deszczu i określając postrzegany kąt tęczy jako 2 φ , a kąt wewnętrznego odbicia jako 2 β , to kąt padania promieni słonecznych względem normalnej powierzchni kropli wynosi 2 β − φ . Ponieważ kąt załamania wynosi β , prawo Snella daje nam

sin(2 β − φ ) = n sin β ,

gdzie n = 1,333 jest współczynnikiem załamania wody. Rozwiązując φ , otrzymujemy

φ = 2 β − arcsin( n sin β ) .

Tęcza pojawi się tam, gdzie kąt φ jest maksymalny w stosunku do kąta β . Dlatego z rachunku różniczkowego możemy ustawić dφ / dβ = 0 i znaleźć β , co daje

.

Podstawiając powrotem do wcześniejszego równanie φ daje 2 cp max ≈ 42 ° a kąt promienia tęczy.

Dla światła czerwonego (długość fali 750nm, n = 1,330 na podstawie stosunku dyspersji wody ) kąt promienia wynosi 42,5°; Dla światła niebieskiego (długość fali 350nm, n = 1,343 ) kąt promienia wynosi 40,6°.

Wariacje

Podwójne tęcze

„Podwójna tęcza” przekierowuje tutaj. W przypadku innych zastosowań zobacz Podwójna tęcza .
Podwójna tęcza z widoczną opaską Aleksandra pomiędzy głównym i wtórnym łukiem. Zwróć także uwagę na wyraźne łuki nadliczbowe wewnątrz łuku głównego.
Fizyka tęczy pierwotnej i wtórnej oraz ciemnej wstęgi Aleksandra (Obraz słońca na zdjęciu jest tylko umowny; wszystkie promienie są równoległe do osi stożka tęczy)

Często widoczna jest tęcza wtórna, pod większym kątem niż tęcza pierwotna. Termin podwójna tęcza jest używany, gdy widoczne są zarówno tęcza pierwotna, jak i wtórna. Teoretycznie wszystkie tęcze są tęczami podwójnymi, ale ponieważ łuk wtórny jest zawsze słabszy niż łuk główny, w praktyce może być zbyt słaby, aby go dostrzec.

Tęcze wtórne są spowodowane podwójnym odbiciem światła słonecznego wewnątrz kropelek wody. Technicznie rzecz biorąc, łuk wtórny jest wyśrodkowany na samym słońcu, ale ponieważ jego rozmiar kątowy jest większy niż 90° (około 127° dla fioletu do 130° dla czerwieni), jest widoczny po tej samej stronie nieba, co główna tęcza, około 10° poza nią pod pozornym kątem 50–53°. W wyniku tego, że „wewnątrz” łuku wtórnego „podchodzi” do obserwatora, kolory wydają się odwrócone w porównaniu z kolorami łuku głównego.

Wtórna tęcza jest słabsza niż pierwotna, ponieważ więcej światła ucieka z dwóch odbić niż z jednego, a sama tęcza jest rozłożona na większej powierzchni nieba. Każda tęcza odbija białe światło wewnątrz swoich kolorowych pasm, ale jest ono „w dół” dla pierwotnej i „w górę” dla wtórnej. Ciemny obszar nieoświetlonego nieba leżący pomiędzy głównym i wtórnym łukiem nazywany jest pasem Aleksandra, od nazwiska Aleksandra z Afrodyzji, który go opisał.

Tęcza bliźniacza

W przeciwieństwie do podwójnej tęczy, która składa się z dwóch oddzielnych i koncentrycznych łuków tęczy, bardzo rzadka tęcza bliźniacza wygląda jak dwa łuki tęczy, które oddzielają się od pojedynczej podstawy. Kolory na drugim łuku, a nie odwrócone jak w drugiej tęczy, pojawiają się w tej samej kolejności, co tęcza główna. Może być również obecna „normalna” wtórna tęcza. Tęcze bliźniacze mogą wyglądać podobnie, ale nie należy ich mylić z wstęgami nadliczbowymi . Te dwa zjawiska można odróżnić różnicą w profilu barwnym: nadliczbowe pasma składają się ze stonowanych pastelowych odcieni (głównie różu, fioletu i zieleni), podczas gdy tęcza bliźniacza ma takie samo widmo jak zwykła tęcza. Przyczyną bliźniaczej tęczy jest połączenie różnych rozmiarów kropel wody spadających z nieba. Ze względu na opór powietrza krople deszczu spłaszczają się podczas opadania, a spłaszczenie jest bardziej widoczne w przypadku większych kropli wody. Kiedy połączą się dwa deszcze z kroplami deszczu o różnej wielkości, każda z nich wytwarza nieco inne tęcze, które mogą się łączyć i tworzyć tęczę bliźniaczą. Badanie numeryczne ray tracingu wykazało, że bliźniaczą tęczę na zdjęciu można wyjaśnić mieszaniną kropelek 0,40 i 0,45 mm. Ta niewielka różnica w wielkości kropli spowodowała niewielką różnicę w spłaszczeniu kształtu kropli, a dużą różnicę w spłaszczeniu wierzchołka tęczy.

Okrągła tęcza

Tymczasem jeszcze rzadszy przypadek tęczy rozszczepionej na trzy gałęzie zaobserwowano i sfotografowano w przyrodzie.

Pełne koło tęcza

Teoretycznie każda tęcza jest kołem, ale z ziemi zwykle widać tylko jej górną połowę. Ponieważ środek tęczy jest diametralnie przeciwny do położenia Słońca na niebie, w miarę zbliżania się Słońca do horyzontu pojawia się większa część okręgu, co oznacza, że ​​największa część okręgu zwykle widziana jest w około 50% podczas zachodu lub wschodu słońca. Oglądanie dolnej połowy tęczy wymaga obecności kropel wody poniżej horyzontu obserwatora, a także światła słonecznego, które jest w stanie do nich dotrzeć. Wymagania te nie są zazwyczaj spełnione, gdy widz znajduje się na poziomie gruntu, albo dlatego, że w wymaganej pozycji nie ma kropel, albo dlatego, że światło słoneczne jest przesłonięte przez krajobraz za obserwatorem. Jednak z wysokiego punktu widzenia, takiego jak wysoki budynek lub samolot, można spełnić wymagania i zobaczyć pełną tęczę. Podobnie jak częściowa tęcza, okrągła tęcza może mieć również łuk wtórny lub łuki nadliczbowe . Możliwe jest wykonanie pełnego koła stojąc na ziemi, na przykład spryskując mgłę wodną z węża ogrodowego, odwracając się od słońca.

Nie należy mylić okrągłej tęczy z chwałą , która ma znacznie mniejszą średnicę i powstaje w wyniku różnych procesów optycznych. W odpowiednich okolicznościach chwała i (okrągła) tęcza lub łuk mgły mogą wystąpić razem. Innym zjawiskiem atmosferycznym, które można pomylić z „okrągłą tęczą”, jest halo 22° , które jest powodowane przez kryształki lodu, a nie kropelki ciekłej wody i znajduje się wokół Słońca (lub Księżyca), a nie naprzeciw niego.

Nadliczbowe tęcze

Zdjęcie tęczy o wysokim zakresie dynamicznym z dodatkowymi pasmami nadliczbowymi wewnątrz łuku głównego

W pewnych okolicznościach można zobaczyć jeden lub kilka wąskich, słabo zabarwionych pasm graniczących z fioletową krawędzią tęczy; tj. wewnątrz łuku pierwotnego lub, znacznie rzadziej, poza łukiem wtórnym. Te dodatkowe wstęgi nazywane są nadliczbowymi tęczami lub wstęgami nadliczbowymi ; wraz z samą tęczą zjawisko to znane jest również jako tęcza układacza . Łuki nadliczbowe są nieco oderwane od łuku głównego, w miarę oddalania się od niego stają się coraz bledsze i mają pastelowe kolory (składające się głównie z odcieni różu, fioletu i zieleni) zamiast zwykłego wzoru widmowego. Efekt staje się widoczny, gdy w grę wchodzą kropelki wody o średnicy około 1 mm lub mniejszej; im mniejsze są kropelki, tym szersze stają się pasma nadliczbowe, a ich kolory są mniej nasycone. Ze względu na ich pochodzenie w małych kropelkach, nadliczbowe prążki są szczególnie widoczne w łukach mgłowych .

Tęczy nadliczbowych nie da się wyjaśnić za pomocą klasycznej optyki geometrycznej . Naprzemienne słabe pasma są spowodowane interferencją między promieniami światła podążającymi nieco innymi ścieżkami o nieco różnej długości w obrębie kropli deszczu. Niektóre promienie są w fazie , wzmacniając się wzajemnie poprzez konstruktywną interferencję , tworząc jasne pasmo; inne są przesunięte w fazie nawet o połowę długości fali, znosząc się nawzajem poprzez destrukcyjną interferencję i tworząc lukę. Biorąc pod uwagę różne kąty załamania promieni o różnych kolorach, wzory interferencji są nieco inne dla promieni o różnych kolorach, więc każdy jasny pas jest zróżnicowany kolorystycznie, tworząc miniaturową tęczę. Nadliczbowe tęcze są najwyraźniejsze, gdy krople deszczu są małe i jednolitej wielkości. Samo istnienie nadliczbowych tęczy było historycznie pierwszym wskaźnikiem falowej natury światła, a pierwszego wyjaśnienia dostarczył Thomas Young w 1804 roku.

Odbita tęcza, tęcza refleksyjna

Odbita tęcza
Odbicie tęczy (na górze) i normalna tęcza (na dole) o zachodzie słońca

Kiedy tęcza pojawia się nad zbiornikiem wodnym, pod i nad horyzontem można zobaczyć dwa komplementarne łuki lustrzane, pochodzące z różnych ścieżek światła. Ich imiona są nieco inne.

Odbicie tęczowy może pojawić się na powierzchni wody za horyzontem. Światło słoneczne jest najpierw odbijane przez krople deszczu, a następnie odbijane od wody, zanim dotrze do obserwatora. Odbita tęcza jest często widoczna, przynajmniej częściowo, nawet w małych kałużach.

Odbicie tęczy może być produkowany gdzie światło słoneczne odbija część wód przed osiągnięciem krople deszczu, jeśli ciało woda jest duży, spokojny na całej powierzchni, w pobliżu kurtyny deszczu. Nad horyzontem pojawia się refleksyjna tęcza. Przecina normalną tęczę na horyzoncie, a jej łuk sięga wyżej na niebie, a jego środek znajduje się tak wysoko nad horyzontem, jak środek normalnej tęczy znajduje się poniżej. Łuki refleksyjne są zwykle najjaśniejsze, gdy słońce jest nisko, ponieważ w tym czasie jego światło jest najsilniej odbijane od powierzchni wody. W miarę jak słońce schodzi niżej, łuki normalne i odbicia zbliżają się do siebie. Ze względu na kombinację wymagań, tęcza odbicia jest rzadko widoczna.

Można wyróżnić do ośmiu oddzielnych łuków, jeśli tęcza odbita i odbiciowa występują jednocześnie: Normalny (bezodbiciowy) łuk pierwotny i wtórny nad horyzontem (1, 2) wraz z ich odbitymi odpowiednikami poniżej (3, 4), oraz odbicia łuków pierwotnych i wtórnych nad horyzontem (5, 6) z ich odbitymi odpowiednikami poniżej (7, 8).

Monochromatyczna tęcza

Główny artykuł: Monochromatyczna tęcza
Nieulepszone zdjęcie czerwonej (monochromatycznej) tęczy

Czasami deszcz może się zdarzyć o wschodzie lub zachodzie słońca, kiedy krótsze fale, takie jak niebieska i zielona, ​​zostały rozproszone i zasadniczo usunięte z widma. Z powodu deszczu może nastąpić dalsze rozproszenie, czego wynikiem może być rzadka i dramatyczna tęcza monochromatyczna lub czerwona.

Tęcze wyższego rzędu

Oprócz zwykłych tęczy pierwotnych i wtórnych, możliwe jest również utworzenie tęczy wyższych rzędów. Porządek tęczy jest określony przez liczbę odbić światła wewnątrz kropelek wody, które ją tworzą: jedno odbicie daje tęczę pierwszego rzędu, czyli tęczę podstawową ; dwa odbicia tworzą tęczę drugiego rzędu lub wtórną . Więcej wewnętrznych odbić powoduje łuki wyższego rzędu — teoretycznie aż do nieskończoności. Ponieważ coraz więcej światła jest tracone z każdym wewnętrznym odbiciem, każdy kolejny łuk staje się coraz ciemniejszy, a zatem coraz trudniejszy do zauważenia. Dodatkowym wyzwaniem w obserwowaniu tęczy trzeciego rzędu (lub trzeciorzędowej ) i czwartego rzędu ( czwartorzędowej ) jest ich położenie w kierunku słońca (odpowiednio około 40° i 45° od słońca), powodujące ich zatonięcie jego blask.

Z tych powodów naturalnie występujące tęcze rzędu wyższego niż 2 są rzadko widoczne gołym okiem. Niemniej jednak odnotowano obserwacje łuku trzeciego rzędu w naturze, który w 2011 roku został sfotografowany po raz pierwszy. Niedługo potem sfotografowano również tęczę czwartego rzędu, a w 2014 roku opublikowano pierwsze w historii zdjęcia tęczy piątego rzędu (lub pięciorzędowej ) znajdującej się pomiędzy łukiem głównym i wtórnym. W warunkach laboratoryjnych możliwe jest wykonanie łuków znacznie wyższych rzędów. Felix Billet (1808–1882) przedstawiał pozycje kątowe aż do tęczy dziewiętnastego rzędu, wzór, który nazwał „różą tęczy”. W laboratorium możliwe jest obserwowanie tęczy wyższego rzędu przy użyciu niezwykle jasnego i dobrze skolimowanego światła wytwarzanego przez lasery . Aż do tęczy 200-tego rzędu opisali Ng i in. w 1998 przy użyciu podobnej metody, ale wiązką lasera jonów argonu.

Tęcz trzeciorzędowych i czwartorzędowych nie należy mylić z tęczami „potrójnymi” i „poczwórnymi” – terminami czasami błędnie używanymi w odniesieniu do – znacznie bardziej powszechnych – nadliczbowych łuków i tęczy refleksyjnych.

Tęcze w świetle księżyca

Główny artykuł: Moonbow
Spryskaj łuk księżycowy w Dolnym wodospadzie Yosemite

Podobnie jak większość atmosferycznych zjawisk optycznych, tęcze mogą być wywoływane przez światło słoneczne, ale także światło księżyca. W przypadku tych ostatnich tęcza nazywana jest tęczą księżycową lub łukiem księżycowym . Są znacznie ciemniejsze i rzadsze niż tęcze słoneczne, co wymaga, aby Księżyc był prawie pełny, aby można je było zobaczyć. Z tego samego powodu łuki księżycowe są często postrzegane jako białe i mogą być uważane za monochromatyczne. Obecne jest jednak pełne widmo, ale ludzkie oko nie jest zwykle wystarczająco czułe, aby dostrzec kolory. Fotografie z długim czasem naświetlania czasami pokazują kolor w tym typie tęczy.

Mglisty łuk

Główny artykuł: łuk mgły
Mglisty łuk i chwała.

Łuki mgłowe tworzą się w taki sam sposób jak tęcze, ale tworzą je znacznie mniejsze krople chmur i mgły, które intensywnie uginają światło. Są prawie białe z lekką czerwienią na zewnątrz i błękitem w środku; często wewnątrz krawędzi wewnętrznej można dostrzec jeden lub więcej szerokich pasm nadliczbowych . Kolory są przygaszone, ponieważ kokarda w każdym kolorze jest bardzo szeroka, a kolory nakładają się na siebie. Łuki mgłowe są często widywane nad wodą, gdy powietrze w kontakcie z chłodniejszą wodą jest schłodzone, ale można je znaleźć wszędzie, jeśli mgła jest wystarczająco rzadka, aby słońce przeświecało, a słońce jest dość jasne. Są bardzo duże – prawie tak duże jak tęcza i znacznie szersze. Czasami pojawiają się z chwałą na środku łuku.

Łuków mgły nie należy mylić z aureolami lodowymi , które są bardzo powszechne na całym świecie i widoczne znacznie częściej niż tęcze (dowolnej kolejności), ale nie mają związku z tęczami.

Śnieżny łuk

Monochromatyczny łuk deszczowy schwytany wczesnym rankiem 7 stycznia 2016 r. w Valparaiso w stanie Indiana.

Łuk ze śniegiem tworzy się w taki sam sposób jak typowa tęcza, z tą różnicą, że pojawia się, gdy światło przechodzi przez padający śnieg ze śniegiem (granulki lodu) zamiast przez ciekłą wodę. Gdy światło przechodzi przez deszcz ze śniegiem, załamuje się, powodując rzadkie zjawiska. Zostały one udokumentowane w całych Stanach Zjednoczonych, a najwcześniejszy publicznie udokumentowany i sfotografowany łuk świetlny został zaobserwowany w Richmond w stanie Wirginia 21 grudnia 2012 r. Podobnie jak zwykłe tęcze, mogą one również przybierać różne formy, a monochromatyczny łuk świetlny został udokumentowany 7 stycznia, 2016 w Valparaiso w stanie Indiana.

Łuki okołopoziome i okołozenitalne

Łuk okołopoziomy (na dole), poniżej ograniczonej halo
Łuk okołozenitalny

W circumzenithal i circumhorizontal łuki wyróżnić dwa zjawiska optyczne podobne w wyglądzie do tęczy, ale w przeciwieństwie do tych ostatnich, ich pochodzenia leży w załamania światła przez heksagonalnych kryształów lodu zamiast ciekłych kropelek wody. Oznacza to, że nie są to tęcze, ale członkowie dużej rodziny aureoli .

Oba łuki są jasno kolorowymi segmentami pierścieniowymi wyśrodkowanymi na zenicie , ale w różnych pozycjach na niebie: łuk okołozenitalowy jest wyraźnie zakrzywiony i znajduje się wysoko nad Słońcem (lub Księżycem) z wypukłą stroną skierowaną w dół (stwarza wrażenie „do góry nogami”). w dół tęczy"); łuk okołohoryzontalny biegnie znacznie bliżej horyzontu, jest bardziej prosty i znajduje się w znacznej odległości poniżej Słońca (lub Księżyca). Oba łuki mają czerwoną stronę skierowaną w stronę Słońca, a fioletową część od niego, co oznacza, że ​​łuk okołozenitalny jest czerwony na dole, a łuk okołohoryzontalny jest czerwony na górze.

Łuk okołohoryzontalny jest czasami określane przez błędną nazwą „rainbow ognia”. Aby go zobaczyć, Słońce lub Księżyc muszą znajdować się co najmniej 58° nad horyzontem, co sprawia, że ​​jest to rzadkie zjawisko na wyższych szerokościach geograficznych. Łuk okołozenitalny, widoczny tylko przy wzniesieniu słonecznym lub księżycowym mniejszym niż 32°, jest znacznie częstszy, ale często pomijany, ponieważ występuje prawie bezpośrednio nad głową.

Pozaziemskie tęcze

Główny artykuł: pozaziemskie niebo

Sugerowano, że na Tytanie , księżycu Saturna, mogą istnieć tęcze , ponieważ ma on mokrą powierzchnię i wilgotne chmury. Promień tęczy Tytana wynosiłby około 49° zamiast 42°, ponieważ płynem w tym zimnym środowisku jest metan zamiast wody. Chociaż widzialne tęcze mogą być rzadkie z powodu mglistego nieba Tytana , tęcze w podczerwieni mogą być bardziej powszechne, ale obserwator potrzebowałby gogli noktowizyjnych na podczerwień, aby je zobaczyć.

Tęcze z różnych materiałów

Tęcza pierwszego rzędu z wody (po lewej) i roztwór cukru (po prawej).

Kropelki (lub kule) złożone z materiałów o różnych współczynnikach załamania światła niż zwykła woda wytwarzają tęcze o różnych kątach promienia. Ponieważ słona woda ma wyższy współczynnik załamania światła, łuk morski nie pasuje idealnie do zwykłej tęczy, jeśli jest widziany w tym samym miejscu. Drobne kulki z tworzywa sztucznego lub szkła mogą być używane do oznakowania dróg jako odbłyśniki zwiększające ich widoczność przez kierowców w nocy. Ze względu na znacznie wyższy współczynnik załamania, tęcze obserwowane na takich kulkach mają zauważalnie mniejszy promień. Takie zjawiska można łatwo odtworzyć rozpryskując w powietrzu ciecze o różnych współczynnikach załamania, co widać na zdjęciu.

Przemieszczenie tęczy ze względu na różne współczynniki załamania światła można zepchnąć do szczególnej granicy. Dla materiału o współczynniku załamania większym niż 2 nie ma kąta spełniającego wymagania dla tęczy pierwszego rzędu. Na przykład współczynnik załamania diamentu wynosi około 2,4, więc kule diamentu dałyby tęcze zaczynając od drugiego rzędu, pomijając pierwszy rząd. Ogólnie rzecz biorąc, ponieważ współczynnik załamania światła przekracza liczbę n +1 , gdzie n jest liczbą naturalną , krytyczny kąt padania dla n razy wewnętrznie odbitych promieni wymyka się z dziedziny . Powoduje to, że tęcza n-tego rzędu kurczy się do punktu antysłonecznego i zanika.

Tęcza w Tokio , 2021

Historia naukowa

Klasyczny grecki uczony Arystoteles (384–322 pne) jako pierwszy poświęcił tęczy poważnie uwagę. Według Raymonda L. Lee i Alistaira B. Frasera: „Pomimo wielu wad i odwołania do numerologii pitagorejskiej, jakościowe wyjaśnienie Arystotelesa wykazało inwencję i względną spójność, które nie miały sobie równych od wieków. Po śmierci Arystotelesa wiele teorii tęczy składało się z reakcji na jego praca, choć nie wszystko to było bezkrytyczne”.

W księdze I Naturales Quaestiones (ok. 65 ne) rzymski filozof Seneka Młodszy szeroko omawia różne teorie powstawania tęczy, w tym teorie Arystotelesa. Zauważa, że ​​tęcze pojawiają się zawsze naprzeciw Słońca, że ​​pojawiają się w wodzie spryskanej przez wioślarza, w wodzie spluwanej przez folusz na ubranie rozciągnięte na kołkach lub w wodzie spryskanej przez mały otwór w pękniętej rurze. Mówi nawet o tęczach wytwarzanych przez małe pręciki (virgulae) szkła, przewidując doświadczenia Newtona z pryzmatami. Bierze pod uwagę dwie teorie: jedną, że tęczę tworzy Słońce odbijające się w każdej kropli wody, drugą, że wytwarza ją Słońce odbite we wklęsłej chmurze ; preferuje to drugie. Omawia też inne zjawiska związane z tęczami: tajemnicze „virgae” (pręty), aureole i parhelia .

Według Hüseyin Gazi Topdemir, arabski fizyk i erudyta Ibn al-Haytham (Alhazen; 965-1039), próbował dostarczyć naukowe wyjaśnienie zjawiska tęczy. W swoim Maqala fi al-Hala wa Qaws Quzah ( O tęczy i aureoli ) al-Haytham „wyjaśnił powstawanie tęczy jako obrazu, który tworzy się we wklęsłym lustrze. Jeśli promienie światła pochodzące z dalszego źródła światła odbijają się do dowolnego punktu na osi zwierciadła wklęsłego, tworzą w nim koncentryczne okręgi.Gdy zakłada się, że słońce jako dalsze źródło światła, oko widza jako punkt na osi zwierciadła i chmura jako powierzchnia odbijająca , wtedy można zaobserwować, że na osi tworzą się koncentryczne kręgi." Nie był w stanie tego zweryfikować, ponieważ jego teoria, że ​​„światło słoneczne jest odbijane przez chmurę przed dotarciem do oka” nie pozwalała na ewentualną weryfikację eksperymentalną . Wyjaśnienie to zostało powtórzone przez Awerroesa i, choć niepoprawne, dostarczyło podstaw do poprawnych wyjaśnień podanych później przez Kamala al-Dīn al-Fārisī w 1309 roku i niezależnie przez Teodoryka z Freibergu (ok. 1250–ok. 1311) – obaj po przestudiowaniu Księgi Optyki al-Haythama .

Współczesny Ibn al-Haythama, perski filozof i erudyta Ibn Sinā (Avicenna; 980-1037), pod warunkiem alternatywnego wyjaśnienia, pisząc „że łuk nie powstaje w ciemnej chmurze, ale raczej w bardzo cienkiej mgle leżącej między chmurą i słońce lub obserwator. Pomyślał, że chmura służy po prostu jako tło tej cienkiej substancji, podobnie jak wyściółka z rtęciowego srebra umieszczana jest na tylnej powierzchni szkła w lustrze. Ibn Sīna zmieniłby miejsce nie tylko łuku , ale także tworzenia koloru, który sprawia, że ​​opalizacja jest jedynie subiektywnym odczuciem w oku”. To wyjaśnienie było jednak również błędne. Konto Ibn Siny akceptuje wiele argumentów Arystotelesa na temat tęczy.

W Chinach z czasów dynastii Song (960-1279), urzędnik naukowy i naukowy o imieniu Shen Kuo (1031-1095) wysnuł hipotezę – podobnie jak pewien Sun Skong (1015–1076) przed nim – że tęcze są formowane przez zjawisko padania światła słonecznego na kropelki. deszczu w powietrzu. Paul Dong pisze, że wyjaśnienie przez Shena tęczy jako zjawiska załamania atmosferycznego „jest zasadniczo zgodne ze współczesnymi zasadami naukowymi”.

Według Nader El-Bizri, z perskiego astronoma , Qutb al-Din al-Shirazi (1236-1311), daje dość dokładne wyjaśnienie zjawiska tęczy. Zostało to rozwinięte przez jego ucznia, Kamala al-Dīn al-Fārisi (1267-1319), który podał bardziej satysfakcjonujące matematycznie wyjaśnienie tęczy. „Zaproponował model, w którym promień światła słonecznego został dwukrotnie załamany przez kroplę wody, przy czym pomiędzy dwoma załamaniami wystąpiło jedno lub więcej odbić”. Przeprowadzono eksperyment ze szklaną kulą wypełnioną wodą i al-Farisi wykazał, że dodatkowe załamania spowodowane szkłem można pominąć w jego modelu. Jak zauważył w swoim Kitab Tanqih al-Manazir ( Rewizja optyki ), al-Farisi użył dużego przezroczystego szklanego naczynia w kształcie kuli, które było wypełnione wodą, w celu przeprowadzenia eksperymentu na dużą skalę. model kropli deszczu. Następnie umieścił ten model w camera obscura, która ma kontrolowaną aperturę do wprowadzania światła. Rzutował światło na kulę i ostatecznie poprzez kilka prób i szczegółowych obserwacji odbić i załamań światła wywnioskował, że kolory tęczy są zjawiskiem rozkładu światła.

W Europie Księga optyki Ibn al-Haythama została przetłumaczona na łacinę i przestudiowana przez Roberta Grosseteste'a . Jego pracę nad światłem kontynuował Roger Bacon , który w swoim Opus Majus z 1268 r. pisał o eksperymentach ze światłem przebijającym się przez kryształy i kropelki wody ukazujące kolory tęczy. Ponadto Bacon jako pierwszy obliczył rozmiar kątowy tęczy. Stwierdził, że tęczowy szczyt nie może pojawić się wyżej niż 42° nad horyzontem. Wiadomo, że Teodoryk z Freiberga podał dokładne teoretyczne wyjaśnienie zarówno pierwotnej, jak i wtórnej tęczy w 1307 roku. Wyjaśnił tęczę pierwotną, zauważając, że „kiedy światło słoneczne pada na poszczególne krople wilgoci, promienie ulegają dwóm załamaniom (przy wejściu i wyjściu ) i jedno odbicie (z tyłu kropli) przed przekazaniem do oka obserwatora." Wyjaśnił tęczę wtórną za pomocą podobnej analizy obejmującej dwa załamania i dwa odbicia.

Szkic René Descartes'a przedstawiający powstawanie tęczy pierwotnej i wtórnej

Traktat Kartezjusza z 1637 r., Dyskurs o metodzie , jeszcze bardziej rozwinął to wyjaśnienie. Wiedząc, że wielkość kropel deszczu nie wydaje się wpływać na obserwowaną tęczę, eksperymentował z przepuszczaniem promieni światła przez dużą szklaną kulę wypełnioną wodą. Mierząc kąty, pod jakimi pojawiły się promienie, doszedł do wniosku, że łuk pierwotny był spowodowany pojedynczym wewnętrznym odbiciem wewnątrz kropli deszczu, a łuk wtórny mógł być spowodowany dwoma wewnętrznymi odbiciami. Poparł ten wniosek wyprowadzeniem prawa załamania światła (po Snella , ale niezależnie od niego ) i poprawnie obliczył kąty dla obu łuków. Jego wyjaśnienie kolorów opierało się jednak na mechanicznej wersji tradycyjnej teorii, według której kolory były wytwarzane przez modyfikację światła białego.

Isaac Newton wykazał, że światło białe składało się ze światła wszystkich kolorów tęczy, które szklany pryzmat mógł rozdzielić na pełne spektrum kolorów, odrzucając teorię, że kolory powstały w wyniku modyfikacji światła białego. Wykazał również, że czerwone światło załamuje się mniej niż niebieskie, co doprowadziło do pierwszego naukowego wyjaśnienia głównych cech tęczy. Korpuskularna teoria światła Newtona nie była w stanie wyjaśnić nadliczbowych tęczy, a zadowalającego wyjaśnienia nie znaleziono, dopóki Thomas Young nie zdał sobie sprawy, że światło zachowuje się jak fala w pewnych warunkach i może interferować ze sobą.

Pracę Younga udoskonalił w latach 20. XIX wieku George Biddell Airy , wyjaśniając zależność siły kolorów tęczy od wielkości kropel wody. Współczesne fizyczne opisy tęczy opierają się na rozpraszaniu Mie , pracy opublikowanej przez Gustava Mie w 1908 roku. Postępy w metodach obliczeniowych i teorii optycznej nadal prowadzą do pełniejszego zrozumienia tęczy. Na przykład Nussenzveig zapewnia nowoczesny przegląd.

Eksperymenty

Eksperyment demonstracyjny tęczy w kolbie okrągłodennej - Johnson 1882

Doświadczenia nad zjawiskiem tęczy przy użyciu sztucznych kropli deszczu, czyli napełnionych wodą kolb kulistych, sięgają co najmniej Teodoryka z Freiberga w XIV wieku. Później również Kartezjusz badał to zjawisko za pomocą kolby Florence . Eksperyment kolbowy znany jako tęcza Florencji jest nadal często używany jako imponujący i intuicyjnie dostępny eksperyment demonstracyjny fenomenu tęczy. Polega na oświetleniu (równoległym światłem białym) wypełnionej wodą kolby kulistej przez otwór w siatce. Tęcza pojawi się wtedy odrzucona / rzucona na ekran, pod warunkiem, że ekran jest wystarczająco duży. Ze względu na skończoną grubość ścian i makroskopowy charakter sztucznej kropli deszczu istnieje kilka subtelnych różnic w porównaniu ze zjawiskiem naturalnym, w tym nieznacznie zmienione kąty tęczy i rozszczepienie rzędów tęczy.

Bardzo podobny eksperyment polega na użyciu cylindrycznego naczynia szklanego wypełnionego wodą lub litego przezroczystego cylindra i oświetlonego równolegle do okrągłej podstawy (tj. promienie światła pozostające na stałej wysokości podczas przechodzenia przez cylinder) lub pod kątem do podstawy. W tych ostatnich warunkach kąty tęczy zmieniają się w stosunku do zjawiska naturalnego, ponieważ efektywny współczynnik załamania wody zmienia się (stosowany jest współczynnik załamania Bravaisa dla nachylonych promieni).

Inne eksperymenty wykorzystują małe krople cieczy, patrz tekst powyżej.

Kultura i mitologia

Główny artykuł: Tęcze w kulturze
Główny artykuł: Tęcze w mitologii
Przedstawienie tęczy w Księdze Rodzaju

Tęcze występują często w mitologii i były używane w sztuce. Jedno z najwcześniejszych literackich wystąpień tęczy występuje w rozdziale 9 Księgi Rodzaju , jako część historii potopu Noego , gdzie jest to znak Bożego przymierza, że ​​nigdy więcej nie zniszczy całego życia na Ziemi globalną potopem. W mitologii nordyckiej tęczowy most Bifröst łączy świat ludzi ( Midgard ) i królestwo bogów ( Asgard ). Cuchavira był bogiem tęczy dla Muisca w dzisiejszej Kolumbii, a kiedy skończyły się regularne deszcze na sawannie Bogoty , ludzie dziękowali mu oferując złoto , ślimaki i małe szmaragdy . Niektóre formy buddyzmu tybetańskiego lub dzogczen odnoszą się do tęczowego ciała . Zwykle mówi się, że tajemna kryjówka irlandzkiego leprechauna dla jego garnka złota znajduje się na końcu tęczy. To miejsce jest odpowiednio nieosiągalne, ponieważ tęcza jest efektem optycznym, do którego nie można się zbliżyć.

Tęcze pojawiają się w heraldyce - w heraldyce tęcza właściwa składa się z 4 pasm koloru ( Or , Gules , Vert , Argent ) z końcami spoczywającymi na chmurach. Uogólnione przykłady herbu obejmują te z miast Regen i Pfreimd , oba w Bawarii w Niemczech; oraz Bouffémont we Francji; i 69. Pułku Piechoty (Nowy Jork) z Gwardii Narodowej Armii (USA).

Tęczowe flagi są używane od wieków. Był symbolem ruchu spółdzielczego w niemieckiej wojnie chłopskiej w XVI wieku, pokoju we Włoszech, a od lat 70. XX wieku gejowskiej i ruchów społecznych LGBT . W 1994 roku, arcybiskup Desmond Tutu i prezydent Nelson Mandela opisany niedawno demokratyczny post- apartheidu RPA jako naród tęczy . Tęcza została również wykorzystana w logo produktów technologicznych, w tym logo komputera Apple . Wiele sojuszy politycznych obejmujących wiele partii politycznych nazwało się „ Koalicją Tęczy ”.

Zobacz też

Uwagi

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki