Η φυσική πίσω από το ουράνιο τόξο

Ένα από τα πιο υπέροχα αριστουργήματα της φύσης είναι το ουράνιο τόξο. Δεν είναι μόνο όμορφο, έχει και τεράστια επίδραση στη φαντασία του ανθρώπου. Εμπνέει ποιητές, στοχαστές και όχι μόνο, ενώ αποτελεί μια ακτίνα ελπίδας στους απλούς, καθημερινούς ανθρώπους κάθε φορά που εμφανίζεται μετά από βροχή, δημιουργώντας τρομερή αντίθεση με τον μουντό, συννεφιασμένο καιρό. Στο παρόν άρθρο, θα δούμε τη φυσική πίσω από αυτό το εντυπωσιακό φαινόμενο και θα μελετήσουμε τους μηχανισμούς που οδηγούν στη δημιουργία του

Γενικά

Το ουράνιο τόξο αποτελεί ένα μετεωρολογικό φαινόμενο που προκαλείται από την ανάκλαση, τη διάθλαση και τη σκέδαση του φωτός στις βροχοσταγόνες του ουρανού. Απεικονίζεται ως ένα πολύχρωμο τόξο, ενίοτε και ως ολόκληρος κύκλος. Για να δει κανείς το ουράνιο τόξο θα πρέπει η πλάτη του να είναι στραμμένη προς τον ήλιο και να κοιτάει σε γωνία περίπου 40^ο από το έδαφος, σε μια περιοχή της ατμόσφαιρας με πολλά αιωρούμενα σταγονίδια νερού ή ακόμα και μια ελαφριά ομίχλη. Κάθε μεμονωμένο σταγονίδιο δρα ως ένα μικρό πρίσμα που διαθλά και ανακλά το φως πίσω στα μάτια του παρατηρητή. Το συνολικό αποτέλεσμα εκατομμυρίων τέτοιων σταγονιδίων είναι ένα τόξο από χρώματα.

Το ουράνιο τόξο πρόκειται για μια οπτική οφθαλμαπάτη! Δε βρίσκεται σε συγκεκριμένη απόσταση από τον παρατηρητή, δεν είναι αντικείμενο και δε μπορούμε ποτέ να το φτάσουμε. Δημιουργείται απλά στο οπτικό μας πεδίο υπό συγκεκριμένη γωνία (40^ο). Δύο άτομα σε διαφορετικές αποστάσεις θα δουν ένα διαφορετικό ουράνιο τόξο.

Φάσμα του Ηλιακού φωτός

 

Χωρίς να μπούμε σε λεπτομέρειες της ηλεκτρομαγνητικής θεωρίας, αναφέρουμε συνοπτικά ότι η ακτινοβολία του ηλίου εκπέμπεται και διαδίδεται στο χώρο με τη μορφή κυμάτων, των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Το σύνολο των κυμάτων αυτών, με όλες τις δυνατές συχνότητες ή μήκη κύματος (το αντίστροφο της συχνότητας) στα οποία εκπέμπονται, συνιστούν το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα της ηλιακής ακτινοβολίας (Σχήμα 1). Το ορατό τμήμα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας είναι αυτό που επηρεάζει το ανθρώπινο μάτι. Οι ακτινοβολίες αυτές χαρακτηρίζονται από ένα συγκεκριμένο χρώμα. Όλες μαζί είναι γνωστές απλά ως «φως».

Ανάκλαση και Διάθλαση του φωτός

Όταν το φως περνά από ένα διαφανές μέσο σε ένα άλλο, όπως στην παρακάτω περίπτωση (Σχήμα 2), από τον αέρα στο νερό, ένα μέρος απορροφάται, ένα ανακλάται και το υπόλοιπο διαθλάται. Περνάει, δηλαδή, στο άλλο μέσο αλλάζοντας πορεία.

 

Τα δύο μέσα, στην περίπτωσή μας ο αέρας και το νερό, έχουν διαφορετική πυκνότητα. Αυτό το γεγονός επηρεάζει την ταχύτητα του φωτός όταν διέρχεται από το ένα μέσο στο άλλο. Η αλλαγή στην πορεία του φωτός οφείλεται σε αυτήν την αλλαγή της ταχύτητάς του. Πολλές φορές, κοιτώντας μέσα στο νερό, βλέπουμε τα αντικείμενα σε άλλη θέση ή ακόμα και παραμορφωμένα. Αυτό οφείλεται στη διάθλαση του φωτός. Υπάρχει και η περίπτωση το φως να υποστεί ολική εσωτερική ανάκλαση. Να μην υπάρξει, δηλαδή, καθόλου μετάδοση του φωτός και αυτό να ανακλαστεί εξ’ ολοκλήρου. Η περίπτωση αυτή συμβαίνει για συγκεκριμένες γωνίες πρόσπτωσης του φωτός.

Δημιουργία του Ουράνιου Τόξου: Ανάκλαση και Διάλαση του φωτός στη σταγόνα

Το ουράνιο τόξο δημιουργείται από την ανάκλαση και τη διάθλαση του φωτός ενός μεγάλου αριθμού σταγονιδίων νερού που βρίσκονται στην ατμόσφαιρα. Τα κύματα του φωτός περνάνε από το ένα μέσο (ατμόσφαιρικός αέρας) στο άλλο (σταγονίδια βροχής). Η μείωση της ταχύτητας του φωτός, κατά την είσοδό του στη σταγόνα, προκαλεί μια κάμψη της διαδρομής του σε σχέση με το φυσιολογικό. Κατά την έξοδό του από αυτό, το φως επιταχύνει και κάμπτεται ξανά μακριά από το κανονικό.

Υπάρχουν άπειροι τρόποι με τους οποίους οι ακτίνες του φωτός μπορούν να περάσουν μέσα από μια σταγόνα. Στην περίπτωσή μας, ένας τρόπος μεγάλης σημασίας είναι αυτός κατά τον οποίο το φως διαθλάται στο σταγονίδιο, ανακλάται εσωτερικά και στη συνέχεια διαθλάται ξανά έξω από το σταγονίδιο.

Η διάθλαση του φωτός σε δύο συγκεκριμένα όρια του σταγονιδίου, οδηγεί στη μετατροπή του λευκού φωτός στο συνεχές φάσμα των χρωμάτων από τα οποία αποτελείται, κατά την έξοδό του από αυτήν. Κάθε χρώμα, όπως είδαμε και παραπάνω, διαδίδεται σε διαφορετικό μήκος κύματος. Άρα, θα διαδοθούν με διαφορετικές ταχύτητες μέσα στη σταγόνα. Ως αποτέλεσμα, κάθε χρώμα, εκτρέπεται σε διαφορετικό βαθμό κατά την είσοδό του και κατά την έξοδό του από τη σταγόνα.

Η γωνία απόκλισης μεταξύ των εισερχόμενων ακτίνων του ηλίου και αυτών που διαθλώνται στη σταγόνα και κατευθύνονται προς εμάς, είναι περίπου 42^ο για το κόκκινο (μεγάλα μήκη κύματος) και 40^ο για το ιώδες (μικρά μήκη κύματος). Παρ’ ότι υπάρχουν πολλοί τρόποι με τους οποίους μπορεί το φως να διαθλαστεί από ένα σταγονίδιο και να φτάσει στα μάτια του παρατηρητή, η πρόσπτωση υπό αυτές τις γωνίες είναι η βέλτιστη. Σε αυτές τις γωνίες, λοιπόν, το εξερχόμενο φως έχει τη μεγαλύτερη συγκέντρωση. Οπότε είναι αρκετά φωτεινό ώστε να εμφανιστεί το ουράνιο τόξο.

Οπτικός Σχηματισμός του Ουράνιου Τόξου

Στο μυαλό μας έχουμε το ουράνιο τόξο (το λέει και το ίδιο του το όνομα άλλωστε) ως το κομμάτι ενός κυκλικού τόξου. Η πραγματικότητα όμως είναι διαφορετική. Το ουράνιο τόξο είναι ένας πλήρης κύκλος! Αυτό θα μπορούσαν να το επιβεβαιώσουν και όσοι έχουν δει ουράνιο τόξο μέσα από αεροπλάνο ή από ένα πολύ υψηλό σημείο. Η εξήγηση είναι απλή. Από το έδαφος βλέπουμε μόνο το πάνω μισό του κύκλου, καθώς το κάτω μέρος του εμποδίζεται από την παρουσία του εδάφους, αλλά και από το προφανές, ότι δεν υπάρχουν αιωρούμενα σταγονίδια κάτω από το έδαφος.

Όλοι θα έχετε προσέξει πως τα χρώματα του ουράνιου τόξου είναι πάντοτε με την ίδια σειρά. Κόκκινο, πορτοκαλί, κίτρινο, πράσινο, κυανό, μπλε και ιώδες από πάνω προς τα κάτω. Αυτό συμβαίνει διότι, όπως προείπαμε, το κόκκινο έχει τη μεγαλύτερη γωνία εκτροπής της προσπίπτουσας ακτινοβολίας, ώστε να μπορέσει να καταλήξει στα μάτια του παρατηρητή. Αυτό σημαίνει, ότι πρέπει να προέρχεται από σταγόνες που βρίσκονται πιο ψηλά σε σχέση με τα υπόλοιπα χρώματα. Αντίστοιχα, το ιώδες, που έχει τη μικρότερη γωνία εκτροπής,  από τις σταγόνες που βρίσκονται χαμηλότερα.

Το διπλό Ουράνιο Τόξο

Λιγότερο συνηθισμένο φαινόμενο, αλλά όχι εξαιρετικά σπάνιο, είναι να υπάρχει κι ένα δεύτερο ουράνιο τόξο σε μεγαλύτερη γωνία σε σχέση με το πρώτο. Θεωρητικά όλα τα ουράνια τόξα είναι διπλά, αλλά από τη στιγμή που το δευτερεύον ουράνιο τόξο είναι ασθενέστερο από το πρώτο, μπορεί να είναι πολύ αμυδρό για να φανεί στην πράξη. Το δευτερεύον ουράνιο τόξο προκαλείται από διπλά ανάκλαση του φωτός μέσα στο σταγονίδιο. Η γωνία μεταξύ των ηλιακών ακτίνων και των σταγόνων πρέπει να είναι περίπου 50^ο-53^ο, ώστε να φτάσουν οι εξερχόμενες ακτίνες στον παρατηρητή.

Μιας και αποτελεί ανάκλαση του πρώτου ουράνιου τόξου, το δευτερεύον έχει ως κέντρο του τον ίδιο τον ήλιο. Για αυτό το λόγο βλέπουμε και τα χρώματά του αντεστραμμένα. Τέλος, το δευτερεύον ουράνιο τόξο είναι πιο αχνό σε σχέση με το πρώτο, καθώς υφίσταται μια δεύτερη ανάκληση και χάνεται επιπλέον φως και επειδή κατανέμεται σε μεγαλύτερη περιοχή του ουρανού.

Πηγές που χρησιμοποιήθηκαν για το άρθρο:

• [1] Κατσαφάδος Π., Μαυροματίδης Η., Εισαγωγή στη Φυσική της Ατμόσφαιρας και την κλιματική αλλαγή, 2015, Αθήνα
• https://www.physicsclassroom.com/
• https://en.wikipedia.org/
• https://www.kathimerinifysiki.gr/