A szivárvány márpedig kerek
A szivárvány formája alapvetően kerek.
Annak ellenére igaz ez az állítás, hogy átlagos halandó ember életében egyszer sem lát ilyet.
Szivárványt már minden ember látott.
Ennek az általánosan ismert alakja egy olyan félkör, aminek a két alsó vége a földet éri.
A félkör magassága lehet kisebb vagy nagyobb.
Ez attól függ, hogy létrejöttének idején éppen milyen magasan áll a nap a horizont fölött.
A másik kevéssé ismert tény pedig az, hogy egy adott időpontban mindenki más, vagy mondhatjuk úgy is, hogy mindenki egy másik szivárványt lát.
A szivárvány ugyanis nem egy fix helyen képződő jelenség.(Tehát nem olyan mint például egy felhő.)
Látható helye mindig a nap és a megfigyelő ember kölcsönös helyzetének eredményeképpen jön létre.
Tehát adott pillanatban minden egyes ember csak a „saját” szivárványát látja.
Szivárvány megjelenéséhez elsősorban az szükséges, hogy a levegő tele legyen apró vízcseppekkel.
Olyan aprókkal, mint amik például a párát is alkotják.
Ez gyakran fordul elő például esős környezetben.
Ez azonban még önmagában nem elég…
A nappali fényt bár egyszínűnek látjuk, a valóságban többféle színből áll össze.
Amikor egyforma erősségben éri el szemünket az összes szín, akkor azt fehérnek látjuk.
Ezt nevezzük el az egyszerűség kedvéért nappali fénynek, vagy napfénynek.
A látható fény
A fény hullámokban terjed.
Ezt úgy lehet jól elképzelni, ha a víz hullámzására gondolunk.
A nappali fényt alkotó különböző színű fényhullámoknak más és más az úgynevezett hullámhossza.
A hullámhossz az a távolság, ami két egymást követő hullám csúcspontjai között mérhető.
A fény hullámhosszát nanométerben(nm) mérik.
Az emberi szem a 380-780 nm közötti hullámhosszú fényt képes látni.
Ez a látható fény tartománya.
A látható fénytartományban a legnagyobb hullámhossza(kb.700 nm) a vörös színnek, a legkisebb hullámhossza pedig(kb.400 nm) az ibolya színnek van.
A színek csökkenő hullámhossz szerinti sorrendje:
- vörös
- narancs
- sárga
- zöld
- kék
- ibolya
Ebben a sorrendben láthatók a szivárványban is a színek.
Ha csak egy szivárványt látunk, akkor mindig a vörös szín van legkívül.
Néha megjelenhet egy halványabb második szivárvány is a „fő” szivárvány körül.
Ez akkor fordul elő, ha a vízcseppbe érkező fény kétszer verődik vissza a vízcseppen belül mielőtt kilépne belőle.
Ezt hívják másodlagos szivárványnak.
Ha másodlagos szivárvány is megjelenik akkor abban mindig fordított a színek sorrendje, tehát a vörös van legbelül és az ibolya legkívül.
A fénytörés és a szivárvány
A fény a levegőben 300.000 km/s sebességgel terjed. Ez a fénysebesség.
Ez az érték azonban változik, ha más – sűrűségű – közegben mérjük.
Vízben például jelentősen, körülbelül harmadával lassul a fény terjedési sebessége.
A vízcseppekbe jutó napfény nem csak lelassul hanem megtörik, azaz megváltozik a továbbhaladás iránya.
De nem egyformán.
A megtört fehér fény alkotóelemeire, színeire „bomlik”.
Azonban a különféle hullámhosszú színek továbbhaladási iránya nem egyforma mértékben változik meg.
Minél rövidebb hullámhosszú egy adott szín annál nagyobb mértékben változik továbbhaladási iránya.
Ez a fénytörési sajátosság az oka annak, hogy a szivárványban a látható színtartomány teljes spektruma megjelenik és hullámhossz szerint rendeződött sorrendben jelenik meg.
Más megfogalmazásban a fénytörés miatt láthatjuk a szivárvány színeit.
A fényvisszaverődés és a szivárvány
Amikor a napfény útjába egy vízcsepp kerül, akkor a fény benne megtörik, alkotó elemeire vagyis színeire bomlik és utána visszaverődik.
(Igazából nem az összes fény verődik vissza csak egy része, mert van ami egyszerűen áthalad a vízcseppen vagy éppen elnyelődik benne.)
Ahogy az előző fejezetben említettük, a fénytörést követően a különböző hullámhosszú színek eltérő mértékben változtatják meg a továbbhaladási irányukat.
Ebből pedig az következik, hogy a visszaverődési irányuk sem egyforma.
A legtöbb fény a 40-42 fokos szög-tartományban verődik vissza egy vízcseppről (vízcseppből).
Ez a szög a beeső fény iránya és a visszaverődő fény iránya által bezárt szögre értendő.
Nem egy szög van megadva, hanem egy szögtartomány.
Ennek az az oka, hogy a legrövidebb hullámhosszú ibolya szín 40 fokos szögben verődik vissza, a leghosszabb hullámhosszú vörös pedig 42 fokos szögben.
A kettő között pedig a többi látható szín helyezkedik el sorrendben.
A másodlagos szivárvány kialakulásánál a visszaverődési szög jellemzően 51 fokos.
Ezen a képen egyszerre figyelhető meg a teljes elsődleges körszivárvány és a másodlagos szivárvány is.
Az alábbi videón is ez látható:
Nos ezek a fényvisszaverődési sajátosságok felelősek a szivárvány kör alakjáért.
Ahhoz azonban, hogy ezt pontosan elmagyarázhassuk meg kell ismerniük még egy fogalmat.
Az antiszoláris pont jelentését.
Az antiszoláris pont
Ha háttal állunk a Napnak és a Naptól egy képzeletbeli egyenest húzunk ami a fejünkön keresztül áthaladva megy tovább a földig, akkor az a pont ahol a földet eléri, az az antiszoláris pont.
Egyszerűbben szólva az a pont ahová a fejünk árnyéka esik.
Ennek a pontnak a helye ugye a nap állásának magasságától függ.
Ez az antiszoláris pont a szivárvány körének elméleti közepe.
A képzeletbeli egyenes pedig nem más, mint a szivárvány kialakulása szempontjából fontos napsugárzás iránya.
Ha fognánk egy kinyitható szögmérőt – olyat mint egy körző – és kinyitnánk 42 fokosra
majd a szemünkhöz téve az egyik szárával megcéloznánk az antiszoláris pontot, akkor a másik szára pont a szivárvány vörös színű szélére mutatna.
Függetlenül attól, hogy éppen milyen irányba áll az a szár, ami nem az antiszoláris pontra mutat.
Ha elkezdenénk a szögmérőt – egy körzőhöz hasonlóan – körbe forgatni, akkor az pont kijelölné a szivárvány külső szélét.
A teljes kört.
Ennek a körnek bármelyik pontját összekötnénk a szemünkkel majd a szoláris ponttal akkor az minden esetben 42 fokos szöget zárna be.
A teljes szivárvány kört általában csak azért nem látjuk, mert a talajon vagy a talaj fölött ritkán alakul ki olyan apróvízcseppes környezet, ami a jól látható szivárvány kialakulásához szükséges.
Vízen is csak igen ritkán jönnek össze az ideális feltételek a körszivárvány megpillantásához.
Itt azonban sikerült.
Ezekből a tényekből több fontos dolog is következik:
– Szivárványt csak akkor láthatunk, ha háttal állunk a napnak.
– Szivárványt csak akkor látunk(általában), ha a nap a horizonton alacsonyabban van mint 42 fok. Kivétel ez alól az az eset ha a „horizont jóval alattunk van”, például levegőből vagy magaslatról nézzünk lefelé.
– Sík felületen – vagy vízen – állva a teljes szivárványkör láthatósága elméletileg a nap 47 fokos állásáig lehetséges. Ebben az esetben a szivárványkör széle pont a lábunk előtt lenne.
– Egy vízcseppből csak a fényspektrum egyetlen színe érkezik a szemünkbe.
– A szivárvány minden egyes színe más-más vízcseppből érkezik a szemünkbe, mégpedig hullámhosszuk, azaz visszaverődési szögük szerinti irányból.
– Az elsődleges szivárványnál a vízcseppben két fénytörés és egy visszaverődés történik.
– A másodlagos szivárványnál két fénytörés és két visszaverődés játszódik le.
Most már minden fontos dolgot ismerünk ahhoz, hogy összefoglalhassuk szivárványos ismereteinket és meghatározzuk hogyan keletkezik a szivárvány.
A szivárvány kialakulása illetve láthatósági feltétele az alábbiakban foglalható össze.
Szivárványt tehát akkor láthatunk ha háttal állva a napnak a nap fénye az előttünk lévő apró esőcseppekben alkotó színeire bomlik és visszaverődik.
Ezeknek az apró vízcseppeknek a helyzete olyan kell, hogy legyen, hogy a róluk a szemünkbe visszaverődő fény iránya 40-42 fokos szöget zárjon be a szemünket az antiszoláris ponttal összekötő egyenessel.
A szivárvány kérdéskör végén pedig feltétlen említésre érdemes az a polihisztor, aki először adott mai értelemben is elfogadható magyarázatot a szivárványok keletkezésére.
Rene Descartes (1596-1650) volt az aki elsőként ismerte fel, dokumentálta és publikálta a kerek vízcseppek és a fénytörés/visszaverődés szerepét a szivárvány kialakulásában.
1637-ben megjelent „Discours de la méthode” című művében található a fenti kép, ami a szivárványok kialakulásának legkorábbi ismert, tudományos értelmezésű publikált leírása, megjelenítése.
Az elsődleges és a másodlagos szivárványok kialakulását és környezeti feltételeit ábrázolja.
Sok fontos részlet figyelhető meg a vázlaton amihez amúgy számítások is tartoznak.
Felismeri és jó helyen ábrázolja például az antiszoláris pontot( M betűvel a képen).
A megfigyelési szög fontossága és a két szivárványnál a színsorrend megfordulása is egyértelműen látható a vázlaton.
(Ez az írás a CC-BY 4.O nemzetközi licencnek megfelelően, permalinkes – kattintható és adott cikkre mutató – forrásmegjelöléssel továbbközlésre felhasználható.)
