Tęcza – podwójna, bliźniacza, czerwona, biała i wielokrotna. Co to wszystko oznacza?
Jako najpiękniejsza z optycznych iluzji, tęcza od wieków budzi podziw i zafascynowanie wśród ludzi, każąc im wierzyć w magię. Dopiero w XVII w. naukowcom udało się wyjaśnić, skąd biorą się kolorowe łuki na niebie i dlaczego nigdy nie można dotrzeć na ich koniec. Co ciekawe, mimo że od tego czasu upłynęło ponad 300 lat, temat tęcz wciąż opleciony jest wieloma mitami i półprawdami.
We współczesności kolory tęczy stały się symbolem, który dość drastycznie podzielił społeczeństwo. Mowa oczywiście o wykorzystaniu barwnego łuku na fladze ruchu LGBT – pomyśle przypisywanym homoseksualnemu artyście Gilbertowi Bakerowi. Mało kto rozumie jednak pełen sens tej symboliki. Otóż Baker zaproponował ją już w 1978 r., argumentując, że tęcza jest najlepszym odzwierciedleniem naturalnej różnorodności na świecie, do której zaliczył również odmienne orientacje seksualne.
Tęcza w historii
Swojego sensu w kolorowych łukach na niebie dopatrywały się już jednak starożytne społeczeństwa, chętnie wplatające tęczę w wierzenia religijne. Według pierwszych Skandynawów była ona mostem łączącym Ziemię (Midgard) z domem bogów, czyli Asgardem, podczas gdy w greckiej mitologii różanopalca bogini Iris, będąca uosobieniem tęczy, pełniła funkcję łączniczki między bogami a ludźmi. W bardzo wielu kulturach barwne łuki asocjowano z postaciami boskimi lub ich atrybutami, ale czasami budziły one i złe skojarzenia. W Burmie wierzono, że tęcza jest demonem, który pożera dzieci, zaś społeczeństwa z dorzecza Amazonki łączyły jej pojawianie się z poronieniami i chorobami skóry. Irlandczycy wierzyli natomiast, że na końcu tęczy jest garnek złotem, którego strzeże złośliwy leprechaun.
Tęczy przyglądali się bacznie również pierwsi naukowcy. Arystoteles i Seneka Młodszy słusznie podejrzewali bliski związek między łukami na niebie a słońcem. Arabscy i chińscy uczeni średniowiecza dodali do tej teorii warunek obecności kropli wody – wciąż jednak będąc daleko od prawdy. Bazując na ich hipotezach Roger Bacon, angielski filozof, zdołał jednak uzyskać kolory tęczy, przepuszczając światło przez kryształy i krople wody.
Prawdziwy przełom w zakresie zrozumienia tęczy zawdzięczamy jednak dopiero tak wielkim osobistościom naukowym jak Descartes i Newton. Ten pierwszy rozwinął koncept załamywania się światła, podczas gdy Newton uświadomił ludzkości, że białe światło słoneczne tak naprawdę składa się z… wszystkich kolorów tęczy!
Jak powstaje tęcza?
Nawet dzieci wiedzą, że tęcza pojawia się na niebie, gdy po deszczu wyjdzie w końcu słońce. Dzięki opadom powietrze jest wilgotne, co w sensie naukowym oznacza, że zawieszone są w nim drobne kropelki wody, czasem wręcz widoczne jako opar. I te właśnie dwa składniki – promienie słońca oraz krople wody – potrzebne są, aby wyczarować kolorowy łuk przez całe niebo.
Jak to wygląda w szczegółach? Kiedy skończy się deszcz, promienie słońca padają na krople wody zawieszone w powietrzu. Część się od nich odbija, a część przenika do wnętrza, załamując się przy tym. Wiązka wewnątrz kropli odbija się od jej tylnej ściany i kieruje ku powierzchni. Tutaj ponownie część światła ulega wewnętrznemu odbiciu, ale część wydostaje się na zewnątrz, po raz kolejny się załamując. Owe dwa załamania razem dają kąt o wielkości od 0 do 42°. Nieco większy współczynnik załamania ma słona woda, co tłumaczy, dlaczego tęcza powstająca w aerozolu nad morzem ma mniejszy łuk.
Czemu jednak tęcza jest łukiem? W rzeczywistości nie jest łukiem, ale okręgiem, jednak obserwator stojący na ziemi nie jest w stanie go w całości dostrzec. Jej kulista forma odzwierciedla kształt słońca. Wszystkie krople, w których jesteśmy w stanie dostrzec tęczę, znajdują się bowiem na stożku, którego wierzchołek zlokalizowany jest tam, gdzie stoimy, a okrągła podstawa rzutuje na niebo.
Światło wewnątrz kropli wody ulega nie tylko załamaniu, ale i rozproszeniu. A ponieważ jest w rzeczywistości wiązką fal o różnych długościach, każda z nich załamuje się pod nieco innym kątem i po opuszczeniu kropli odsuwa się w bok niczym rozłożony wachlarz. Najkrótsze, niebieskie fale załamują się pod większym kątem, ale po drugim załamaniu wewnątrz kropli przy wyjściu z niej dają już najmniejszy kąt. Z tego właśnie powodu niebieskie odcienie widoczne są najbardziej na wewnętrznej krawędzi tęczy, a czerwone (najdłuższe fale) na zewnętrznej.
Ile kolorów ma tęcza?
A skoro jesteśmy już przy temacie barwności tęczy, warto odpowiedzieć na pytanie, ile jest tak naprawdę na niej kolorów. Izaak Newton na początku swych badań stwierdził, że pięć. Sam przyznał jednak później, że jego wzrok nie był najbardziej czuły pod względem chromatycznym i skorygował swoją tezę na siedem kolorów: czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski, indygo i fiolet. Co ciekawe, dość arbitralna decyzja o podziale tęczy na siedem części inspirowana była popularnym wśród greckich sofistów przekonaniem o współzależności między nutami, kolorami i dniami tygodnia.
Współcześni naukowcy skorygowali nieco tęczową paletę Newtona, zamieniając niebieski na zielononiebieski, a indygo z kolei na niebieski. Jednocześnie uznaje się dziś fakt, że odbiór kolorów i ich nazewnictwo są względne i różnią się u różnych ludzi, a społeczeństwa, których języki rozróżniają mniej odcieni, generalnie mają tendencję do widzenia mniejszej ilości kolorów w tęczy.
Przy okazji warto wspomnieć, że tęcza jest zjawiskiem założonym na widmie optycznym, czyli obrazie światła rozłożonego na fale przy pomocy pryzmatu. W widmie, inaczej spektrum, ludzkie oko widzi jednak wyraźnie kilkanaście barw, z odróżnieniem takich niuansów jak niebieskozielona i zielonkawoniebieska. Kolory tęczy są bardziej ograniczone ilościowo i znacznie mniej wyraźne niż kolory widma, a to za sprawą różnych kątów załamania światła wychodzącego z kropli wody i różnych wielkości tych kropli, a także samego punktu obserwacji.
W jaki sposób człowiek widzi tęczę?
Ludzie nie tylko różnie odbierają barwy tęczy, ale widzą ją także w całkiem odmienny sposób – wszystko zależy od punktu obserwacji. W jednym mieście po burzy osoby żyjące w różnych dzielnicach dostrzegą na niebie nieco inny łuk. W tym miejscu warto jest uściślić, że tęcza tak naprawdę nie występuje w określonej lokalizacji na niebie – ponieważ jest zjawiskiem optycznym, jej umiejscowienie zależy od tego, które promienie wpadają akurat do oczu obserwatora.
Dla danego widza tęcza zawsze znajduje się naprzeciwko słońca, które z kolei musi znajdować się za jego plecami. Jeśli wyobrazić sobie linię, która biegnie od słońca przez tył naszej głowy, a dalej oczy i wierzchołek naszego cienia, tęcza będzie właśnie na jej końcu. Dwie osoby stojące obok siebie będą więc tęczę widzieć nieco inaczej. Tęczowe łuki widziane wokół słońca to tymczasem zupełnie inne zjawisko, określane jako halo.
Dodajmy jeszcze, że obserwując tęczę z pokładu samolotu, możemy zobaczyć pełny okrąg, gdyż nie zasłania go Ziemia. Podobny sukces można osiągnąć patrząc z wysokości na oświetlony słońcem wodospad lub fontannę.
Różne rodzaje tęczy
Jak przystało na zjawiska optyczne, i tęcze podlegają jednak różnym wariacjom. Jedną z częstszych anomalii jest podwójna tęcza, czyli dwa równoległe łuki widziane na niebie, z tym, że ten zewnętrzny jest słabszy i ma odwrócony porządek kolorów. Wtórna tęcza to nic innego jak efekt podwójnego odbicia wiązki światła w kroplach wody. Tak naprawdę występuje ono zawsze, ale w większości przypadków jest na tyle słabe, że drugi łuk jest niewidoczny. Ciemniejszy pas nieba widziany między dwoma tęczami nazywany jest pasem Aleksandra – światło odbijane w tym miejscu przez krople wody nie jest po prostu widoczne dla obserwatora.
Znacznie rzadsze są tzw. tęcze bliźniacze, które wychodzą z tego samego miejsca, a odległość między nimi stopniowo się zwiększa. Oba łuki mają tą samą kolejność barw, a dodatkowo mogą być jeszcze otoczone tęczą wtórną. Przyczyną ich powstawania jest różna wielkość kropli deszczu zawieszonych w powietrzu.
Bardzo ciekawym fenomenem są też tęcze wielokrotne, które bywają czasem mylone z bliźniaczymi. W tym przypadku chodzi o dość blade, pastelowe łuki, w odcieniach różu, fioletu i zieleni, które pojawiają się po wewnętrznej stronie „klasycznej” tęczy (rzadziej po zewnętrznej stronie wtórnej tęczy). W zależności od wielkości kropli wody mogą być one cieńsze i bardziej wyraźne lub szersze i bardziej rozmyte. To z kolei zjawisko tłumaczone jest interferencją promieni świetlnych.
Podczas wschodu lub zachodu słońca można na niebie dostrzec jednobarwne tęcze w kolorze czerwonym, zaś nocą tęcze mogą tworzyć się pod wpływem odbicia światła księżyca w pełni w kroplach wody. Wreszcie, w warunkach odpowiednio rzadkiej mgły rozświetlonej niskim słońcem obserwowane są również białe tęcze, którym często towarzyszą wielokrotne łuki. Są one znacznie szersze niż klasyczne łuki, a na ich obrzeżach można czasem dostrzec bardzo delikatne tony czerwonego i niebieskiego. Przyczyną powstawania białych tęcz są niewielkie rozmiary kropli wody tworzących mgłę oraz ich wysoka koncentracja – w takich warunkach światło zachowuje się po prostu inaczej!
Ekologia.pl (Agata Pavlinec)
