Jak powstaje tęcza i skąd biorą się jej kolory?

Gdy po deszczu pojawia się kolorowy łuk, łatwo pomyśleć, że to po prostu odbicie światła na chmurach. W rzeczywistości tęcza powstaje dzięki precyzyjnemu połączeniu światła słonecznego, kropelek wody i położenia obserwatora. Wyjaśniam, czym jest tęcza, jak tworzą się jej kolory, dlaczego ma kształt łuku oraz kiedy można zobaczyć jej podwójną lub nocną odmianę.

Tęcza to światło rozłożone na kolory

Tęcza jest naturalnym zjawiskiem optycznym, a nie przedmiotem znajdującym się w konkretnym miejscu na niebie. Widzimy ją wtedy, gdy promienie Słońca trafiają do kropelek wody zawieszonych w powietrzu, na przykład po deszczu, przy wodospadzie, fontannie albo podczas rozpylania wody z węża ogrodowego.

Światło słoneczne wydaje się białe, ale w rzeczywistości składa się z fal o różnych długościach. Kropla wody działa podobnie do małego pryzmatu. Rozdziela światło na barwy, które nasze oko odbiera jako pas od czerwieni do fioletu.

Podział na siedem kolorów, czyli czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski, indygo i fioletowy, jest umownym sposobem opisu widma. W naturze granice między barwami są płynne, dlatego tęcza nie składa się z siedmiu idealnie oddzielonych pasków.

Co dzieje się wewnątrz kropli wody

Powstanie głównej tęczy można opisać w trzech etapach. Gdy światło wpada do kropli, zmienia kierunek, ponieważ przechodzi z powietrza do wody. To zjawisko nazywamy załamaniem światła.

W tym samym momencie białe światło rozdziela się na barwy. Każda z nich załamuje się pod nieco innym kątem, ponieważ różne długości fal inaczej przechodzą przez wodę. Fiolet odchyla się mocniej niż czerwień, dlatego kolory układają się w stałej kolejności.

Po dotarciu do tylnej części kropli część światła odbija się od jej wewnętrznej powierzchni. Następnie promienie wychodzą z kropli i ponownie ulegają załamaniu. Do oka obserwatora docierają przede wszystkim te promienie, które zostały skierowane pod odpowiednim kątem.

W praktyce nie oglądamy jednej kropli, lecz miliony kropelek znajdujących się w różnych punktach przestrzeni. Każda z nich wysyła do naszego oka inną barwę, a ich wspólny obraz tworzy łuk.

Dlaczego tęcza ma kształt łuku

Jej forma wynika z geometrii światła, a nie z ułożenia chmur czy deszczu. Punkt znajdujący się dokładnie naprzeciwko Słońca, względem obserwatora, nazywa się punktem antysolarnym. Główny łuk tęczy pojawia się wokół niego pod kątem około 42 stopni.

Na ziemi najczęściej widzimy tylko fragment okręgu, ponieważ dolną część zasłania horyzont. Z samolotu, wysokiego budynku albo górskiego szlaku można czasem zobaczyć znacznie większą część tęczy. W odpowiednich warunkach możliwy jest nawet widok całego pierścienia.

Najłatwiej dostrzec tęczę, gdy Słońce znajduje się nisko nad horyzontem, a przed obserwatorem pada deszcz lub unosi się mgła wodna. Wysoko stojące Słońce sprawia, że widoczny łuk jest niższy i często częściowo chowa się za krajobrazem.

To także dlatego nie da się podejść do tęczy ani znaleźć jej końca. Zmiana miejsca zmienia układ promieni docierających do oka, więc każdy obserwator widzi własną wersję tego samego zjawiska.

Kolory, podwójna tęcza i mniej typowe odmiany

Najczęściej oglądamy tęczę pierwotną, czyli tę, w której światło odbiło się wewnątrz kropli jeden raz. Czerwień znajduje się po zewnętrznej stronie łuku, a fiolet po wewnętrznej. Przy większych kroplach barwy są zwykle wyraźniejsze, natomiast drobna mgiełka daje łuk blady i szeroki.

Podwójna tęcza pojawia się wtedy, gdy część światła odbija się w kropli dwa razy. Drugi łuk znajduje się wyżej i jest mniej intensywny, ponieważ podczas dodatkowego odbicia traci się więcej światła. Między obiema tęczami może być widoczny ciemniejszy obszar nazywany pasem Aleksandra.

W tęczy wtórnej czerwony kolor znajduje się od strony wewnętrznej, a fiolet od zewnętrznej. To prosty sposób, by odróżnić ją od głównego łuku, choć przy słabym świetle granice mogą być trudne do zauważenia.

Kiedy najlepiej obserwować tęczę

Najlepsze warunki pojawiają się wtedy, gdy jednocześnie występują krople wody przed obserwatorem i światło za jego plecami. Dlatego tęcze często pojawiają się po krótkiej ulewie, gdy część nieba się rozpogadza, ale w powietrzu nadal utrzymuje się deszcz.

W Polsce szczególnie sprzyjają temu wiosenne i letnie przelotne opady. Zimą także można zobaczyć tęczę, jeśli temperatura pozwala na powstawanie ciekłych kropelek, a Słońce pojawi się między chmurami.

Jeżeli chcesz sprawdzić kierunek, wystarczy spojrzeć na cień własnego ciała albo ustawić się tak, by Słońce znajdowało się za tobą. Deszcz, mgła czy rozprysk fontanny powinny wtedy znajdować się przed tobą. Nie każda kropla utworzy widoczną barwę, dlatego znaczenie ma także jej wielkość, liczba i kąt padania światła.

Najczęstszy błąd polega na szukaniu tęczy w pobliżu Słońca. Główny łuk powstaje po stronie przeciwnej, więc patrzenie w kierunku Słońca nie tylko utrudnia obserwację, ale może też być niebezpieczne dla wzroku.

Prosty eksperyment pokazuje, jak działa tęcza

To zjawisko można łatwo odtworzyć w domu lub podczas zajęć edukacyjnych. Wystarczy przezroczysta szklanka z wodą, biała kartka i silne światło padające z boku. Jeszcze lepszy efekt daje pryzmat albo strumień wody rozpylony w słoneczny dzień.

1. Ustaw białą kartkę w miejscu, na które może paść rozszczepione światło.
2. Skieruj promień światła przez wodę lub pryzmat.
3. Powoli zmieniaj kąt ustawienia naczynia albo pryzmatu.
4. Obserwuj, jak biała plamka rozciąga się w pasmo kolorów.

Doświadczenie nie odtwarza całej geometrii tęczy na niebie, ale dobrze pokazuje najważniejszą zasadę. Białe światło nie jest jednolite, a kropla wody może rozdzielić je na widoczne składniki.

Najkrócej mówiąc, tęcza jest efektem współpracy światła, wody i perspektywy. Gdy którykolwiek z tych elementów przestaje pasować, kolorowy łuk znika, choć same krople i promienie Słońca nadal mogą być obecne.