Kenny Mc Cormick i zagadki tęczy

Bloger Keny Mc Cormick o zdecydowanych zainteresowaniach dla nauk ścisłych, miał szczęście zaobserwować piękne zjawisko optyczne w atmosferze ziemskiej o dość złożonej strukturze.

Postąpił nader roztropnie, że o tym napisał na salonie 24 , zamieszczając nawet zdjęcia zaobserwowanego efektu. Poznania przyrody nie należy skrywać pod korcem, inni to przeczytają i zaczną obserwować niebo.

Tekst był krótki i przytoczę go (oprócz jego dwóch zdjęć ) :

Wczoraj w mojej wiosce pojawiła się taka oto tęcza:Na zdjęciu widać poniżej łuku jeszcze dwie "zagęszczone" tęcze, więc w sumie jest ich cztery...Może zbyt rzadko patrzę na niebo, ale pierwszy raz widziałem takie zjawisko :) Towarzyszyło mu niesamowite zabarwienie podwórza, takie bajkowo-pastelowe.

To jest podkolorowane powiększenie "głównego" łuku - pod nim widać wyraźnie słabszy łuk zawierający też kolory podstawowe od czerwonego do zielonego (niebieski i fiolet już nie wyszły na zdjęciu), a poniżej tego drugiego łuku widać jeszcze trzecią - ale już bardzo delikatnie, na granicy postrzegania - by ja dostrzec na zdjęciu, trzeba być wręcz przekonanym, że tam jest :) W naturze była dosyć wyraźna.Nie mogłem u siebie, na monitorze zobaczyć tego ,o czym opowiada KMcC więc poprosiłem speca od wszystkiego co dotyczny komputerów i programowania ,czyli KAP-a ,by coś z tym zrobił.No i zobaczyłem to, co widział KMcC,a widział nie cztery tęcze tylko dwie tęcze i dwa łuki interferencyjne lub może trzy.Centralnie położona jest tęcza główna (taka nazwa),która poznajemy po układzie barw: kolor czerwony po zewnętrznej stronie łuku tęczy, a fioletowy jest wewnętrznym,ostatnim łukiem.Całość barwnego obrazu tęczy jest rezultatem złożenia ciągu (kontinuum) łuków o różnych rozmiarach i kolorach.

To są trzy, a czwarta jest powyżej, w odległości ok. 1/4 przekątnej obrazka.

Nad tęczą główną w pewnym oddaleniu widać drugą tęczę o nazwie : tęcza rzędu drugiego lub tęcza wtórna.Kolejność kolorów tej tęczy jest zawsze odwrotna. Niebo pomiędzy tęczami jest zawsze ciemniejsze od nieba poza tęczami.

Widziane przez KMcC na niebie (a przez czytelników – na zdjęciach KAP-a

Poniżej ) łuki interferencyjne wewnątrz tęczy głównej są węższe,kolory nie wyraźne i zazwyczaj zmieniają się od bladoniebieskiego lub blado fioletowego do blado zielonego.

O łukach interferencyjnych nie mówimy ,że to tęcze rzędu wyższego dlatego, iż mechanizm powstawanie jest absolutnie inny od mechanizmu powstawania tęczy określonego rzędu.

Istnieją teczę wyższych rzędów od rzędu drugiego, ale brak do tej pory zgłoszeń, iż ktokolwiek widział je ,jako zjawiska naturalne w atmosferze ziemskiej.

Otrzymuje się je podczas eksperymentów laboratoryjnych.

Pierwszym,który opisał eksperyment z otrzymaniem tęczy rzędu trzynastego był Jearl D.Walker [1], chyba najwybitniejszy amerykański dydaktyk fizyki uniwersyteckiej, autor oryginalnego zbioru zadań z fizyki, współautor znanego u nas 5 – tomowego kursu fizyki(Halliday-Resnick-Walker).

Tęcza każdego rzędu powstaje na skutek następujących zjawisk optycznych, które zachodzą w kroplach deszczu oświetlonych przez promienie słoneczne.Zmienna tylko być może krotnośc tych zjawisk.

załamania światła na granicy powietrze-woda (przy wejściu do kropli)
rozszczepienia światła białego podczas załamania ( przy wejściu do kropli)
całkowitego odbicia wewnętrznego na granicy woda-powietrze. (przy wychodzeniu z kropli do powietrza),jeśli kąt padania jest większy OD kąta granicznego dla wody.

Na rys.1. przedstawione są ogólnie warunki zobaczenia tęczy głównej oraz tęczy rzędu drugiego.Obserwator musi być pomiędzy Słońcem, a ścianą deszczu.

Kąt pomiędzy promieniami słonecznymi, a promieniem widzenia musi wynosić minimum 138 stopni i wtedy maksymalny kąt wzniesienia łuku tęczy wynosi 42 stp.Te same parametry warunkujące dostrzeżenie tęczy rzędu drugiego wynoszą: 130 stp i 50 stp.

Stąd wynika ,że położenie obrazu tęczy dla różnych obserwatorów stojących w różnych miejscach jest różne,czyli nie wszyscy widzą tęczę i nie w tym samym miejscu.

Na rys.2. pokazany jest proces powstawania tęczy rzędu pierwszego,czyli

to, co dzieje się z jednobarwnymi (monochromatycznymi) promieniami słonecznymi a,b,c które padają na kulistą kroplę. Promień a padający pod kątem zero przechodzi bez załamania przez kroplę, a część jego energii odbita od wklęsłej granicy «woda-powietrze» wraca po tym samym kierunku.

Promienie b,c ulegają najpierw załamaniu na granicy «powietrze-woda», następnie przebiegją wodę i przy wyjściu z wody do powietrza może nastąpić zjawisko odbicia wewnętrznego od granicy «woda- powietrze» ,a nastepnie załamanie na granicy «woda-powietrze» i ostateczne wyjście z kropli wody.

Jednak promienie b i c są białe, są więc mieszniną nieskończonej liczby barw (długości fal ExB) wobec tego przy wejściu do kropli, następuje jednocześnie rozszczepienie promienia białego na barwy ( gdyż współczynnik załamania światła zależy od długości fali, czyli od barwy) i rozumowanie powyższe zawiązane ze schematem na rys.2, należy powtórzyć dla każdej barwy.

Tęcza rzędu drugiego powstanie gdy uwięzione promienie słoneczne w kropli doznają dwukrotnego odbicia wewnętrznego (rys.3). Promień b jednobarwny wchodzi do kropli i załamuje się,pada na granicę «woda- powietrze pod kątem wiekszym od tzw. kąta granicznego i doznaje odbicia wewnętrznego, i jeśli ponownie padnie przy wyjściu z wody pod kątem wiekszym od kąta granicznego,dozna drugiego z kolei odbicia wewnętrznego tworząc obraz łuku wtórnego w oku obserwatora.

Taki bieg obowiązuje każdą barwę składową wiązki światła słonecznego.

Pierwszym fizykiem, który wyjaśnił częściowo mechanizm powstawania tęczy był Rene Descartes(Kartezjusz) w traktacie opublikowanym w 1637 roku [2]. Przy tej okazji przypisał sobie odkrycie prawa załamania światła ( a przecież rzeczywistym odkrywcą tego prawa był holenderski optyk Willebrord Snell 16 lat wcześniej) jakkolwiek nic nie wiedział o zależności współczynnika załamania światła od długości fali (barwy) i dlatego nie mógł wyjaśnić dlaczego powstają barwne łuki.

I.Newton dysponował własnym rachunkiem różniczkowym i całkowym oraz doświadczalnie zbadał dyspersję (rozszzczepienie) światła białego na granicy dwóch ośrodków i dlatego jego teoria tęczy jest bardziej ścisła i zupełnie pełna.

Newton uważał,że mogą być tęcze dowolnego rzędu, ale natęzenie promieni formujących je bardzo szybko maleje i np. trzeciego rzędu tęcza z tego powodu nie jest możliwa do zobaczenia.

Podobnego zdania był Johann Bernoulli dodając ,że trzeci łuk może być widziany tylko przez orły.

Tymczasem Carl B.Boyer w znakomitej historii badań nad zjawiskiem tęczy [3] podaje ,że Edmond Halley doprowadził do końca obliczenia zaniechane przez I.Newtona i otrzymał rewelacyjny wynik:

tęcza trzeciego rzędu powstaje nie po przeciwnej stronie Słońca , lecz jako okrąg wokół Słońca !Tak więc ludzie szukali tęczy trzeciego rzędu przez dwa tysiące lat po nie właściwej stronie nieba !

Z drugiej jednak strony ,jeśli powstaje ten łuk (okrąg) w sąsiedztwie Słońca , to nic dziwnego ,że go tam trudno zobaczyć z uwagi na małe natężenie światła po trzykrotnym wewnętrznym odbiciu wewnątrz kropli.

Symulacje komputerowe (coś dla KAP-a !) pokazują ,że także czwartego rzędu tęcza jest okręgiem wokół Słońca, a dopiero od piątego rzędu wzwyż, tęcze są po «właściwej» stronie nieba.

Uzyskiwanie dowolnego rzędu tęczy w warunkach eksperymentu laboratoryjnego jest zadaniem łatwym nawet dla studenta, byleby tylko miał silne źrófło światła białego, oraz wytworzył «ścianę « kropel, np. ze spryskiwacza ogrodowego.

Możliwe,że trzeciego rzędu tęcza w atmosferze była obserwowana we Wrocławiu 1 czerwca 1997 roku podczas wizyty papieża Jana Pawła II.

Komentatorzy radiowi i TV relacjonujący tę wizytę opisywali widoczny barwny okrąg wokół Słońca, ale mylnie uznali to (wedle zagadniętych specjalistów) za zjawisko tzw. halo sloneczne.

Halo słoneczne jest okręgiem żółtym (lub białym) a nie barwnym, tęczowym i ma kątowy promień 22 stp.Tymczasem indagowani przeze mnie świadkowie, utrzymywali , że rozwartość kątowa okręgu była dużo większa od 22 stp., no i , że był to krąg barwny. Promień zaś kątowy tęczy rzędu trzeciego jest większy i wynosi nie wiele ponad 40 stp.

Jeśli ktoś czytający te zdania, był świadkiem wspomnianego ,pięknego zjawiska optycznego i przypomina sobie jak wielki był ów tęczowy okrąg wokół Słońca( jeśli był to krąg barwny, a nie żółty) w dzień pielgrzymki JPII do Wrocławia, to bardzo proszę tę osobę o sygnał dla mnie.

Zjawisko tęczy także dzisiaj ma wiele zagadek intrygujących.Wciąż rozwijana jest matematyczna teoria tego zjawiska.Okręgi lub łuki barwne w atmosferze powstają w bardzo rozmaitych warunkach.Powstają obrazy tęczowe na rosie łąki, odbite od wody jeziora lub stawu, tęcze na mgłach w dolinach obserwowane ze szczytu górskiego.Skomplikowane są mechanizmy tych fenomenów.

Na przykład , widziane przez KMcC dwa lub trzy wąskie i słabsze łuki pod tęczą główną 9Zdjęcie nr.1) powstają na skutek tego ,że niektóre promienie światła po wyjści z kropli interferują ze sobą dając zjawisko wygaszania pewnych barw (zwłaszczatych odpowiadających dużym długościom fali).Liczba tych łuków może wynosić nawet 4, a kolory tylko dwa: od blado fioletowego (lub bladoniebieskiego) do bladozielonego.

Każdy, kto zechce być uważnym obserwatorem nieba i zaopatrzy się w okulary zadymione(przeciwsłoneczne), by usunąć wpływ rozproszonego światła słonecznego,ten napewno wkrótce stanie się odkrywcą jakiego niezwykłego fenomenu optycznego w atmosferze ziemskiej.

Jeżeli dodatkowo dysponujemy okularami przeciwodblaskowymi z filtrem polaryzacyjnym (kierowcy samochodowi takie mają), to łatwo odkryjemy że część łuku tęczy powstaje dzieki światłu spolaryzowanemu.

Na rys.4 pokazano ,że może być kąt padania na granicę woda-powietrze wiekszy od kąta Brewstera i wówczas w punkcie B monochromatyczny promień rozdziela się na dwa spolaryzowane i jeden z nich trafia do oka tworząc cząść łuku sporyzowaną, które znika przy obserwacji przez szkła odblaskowe.

Zaczyna się pora urlopowa i wakacyjna, a z nią możliwości obserwacji nieba na różnej szerokości i długości geograficznej.Namawiam do ciągłej obserwacji zjawisk optycznych w atmosferze !Wspaniałe przeżycie spotkania z tajemniczą przyrodą ziemską ! No i satysfakcja z podzielenia się opowieścią o tym spotkaniu z kolegami na salonie24.

Literatura

[1]J.D.Walker,Multiple Rainbows for Single Drops of Water and Other Liquids,American Journal of Physics,44,1976,s.421

[2] R.Descartes,La Discours de la methode,vol.5.,La Dioptrique,Paris,1637

[3] C.B.Boyer,The Rainbow from Myth to mathematics,N.Y.1959,s.249