Tęcza jest jednym z najbardziej rozpoznawalnych zjawisk optycznych w atmosferze, a jednocześnie świetnym przykładem współdziałania trzech elementów: Słońca jako źródła światła, kropel wody w atmosferze oraz konkretnego położenia obserwatora. Bez któregokolwiek z tych składników łuk barw na niebie w ogóle by się nie pojawił.
Światło, które tworzy tęczę, pochodzi z naszej gwiazdy – Słońca. Zanim dotrze do kropel deszczu, przechodzi przez grubą warstwę atmosfery, w której częściowo się rozprasza i osłabia. Następnie w pojedynczych kroplach deszczu zostaje załamane, odbite i rozszczepione na różne barwy. Ostatni etap to droga z kropli do oka obserwatora – jeśli promienie wychodzą pod odpowiednim kątem, widzimy je jako kolorowy łuk.
Położenie Słońca na niebie decyduje o tym, czy tęcza jest w ogóle możliwa do zaobserwowania. Przy wysokim Słońcu (w okolicach południa w lecie) klasyczna tęcza prawie nie ma szans się pojawić, bo jej środek „chowa się” pod horyzontem. Gdy Słońce jest nisko, tuż po deszczu, powstają najlepsze warunki: promienie wpadają w deszcz z boku, a obserwator ma szansę zobaczyć szeroki, wysoki łuk.
Tęcza jest zatem zjawiskiem „pogranicznym”: łączy kosmiczne promieniowanie słoneczne (widmo Słońca) z lokalnymi warunkami atmosferycznymi (deszcz, mgła, chmury) oraz z subiektywną perspektywą człowieka. Fizycznie – opiera się na dobrze poznanej optyce geometrycznej i zjawisku dyspersji (różnego załamywania się barw). Bardziej subtelne struktury tęczy: dodatkowe łuki, ząbkowane brzegi, supernumeryczne pasma – wiążą się już z falową naturą światła i nieregularnym kształtem kropel, co wciąż jest obszarem badań fizyki atmosfery.
Co wiemy dobrze? Mechanizm podstawowej tęczy i tęczy wtórnej można opisać prostą geometrią promieni świetlnych w idealnie kulistych kroplach. Czego jeszcze nie rozumiemy w pełni? Na przykład szczegółowego wpływu turbulencji, zróżnicowanego rozkładu wielkości kropel czy efektów interferencyjnych na dokładny wygląd realnej tęczy nad naszymi głowami. To tam „chowa się” część współczesnych badań.
Skąd się bierze światło, które tworzy tęczę – rola Słońca
Widmo światła słonecznego
Światło słoneczne, które na co dzień nazywamy po prostu „białym”, w rzeczywistości jest mieszaniną ogromnej liczby długości fali – od fioletu, przez błękit, zieleń i żółć, aż po czerwień, a także promieniowanie niewidzialne (podczerwone i ultrafioletowe). Tęcza jest wizualnym dowodem na to, że to „białe” światło można rozłożyć na barwy składowe.
Rozszczepienie światła wiąże się z tym, że różne długości fali załamują się pod nieco innym kątem, gdy przechodzą z jednego ośrodka do drugiego (na przykład z powietrza do wody). To zjawisko, zwane dyspersją, znamy także z prostego doświadczenia z pryzmatem szklanym: wąska wiązka białego światła, przechodząc przez pryzmat, rozdziela się na spektrum kolorów. Kropla deszczu pełni podobną rolę jak pryzmat, choć jest kulista, a nie kanciasta.
Widmo Słońca jest w przybliżeniu ciągłe – nie ma w nim ostrych przerw w kolorach, które widzi ludzkie oko. Dlatego tęcza nie składa się z kilku „twardych”, osobnych pasm, tylko z płynnie zmieniających się barw. Popularne rozróżnienie siedmiu kolorów tęczy (czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski, indygo, fioletowy) jest w dużej mierze umowne i kulturowe, a nie fizyczne.
Jeżeli ktoś wpatruje się w tęczę uważnie, zauważa przejścia między barwami, które trudno „pociąć” na konkretne stopnie. W praktyce ludzkie oko nie rozróżnia wszystkich możliwych długości fali osobno – grupuje je w kilka odcieni. Samo widmo tęczy jednak jest znacznie bogatsze niż „siedem kolorów z podręcznika”.
Droga światła od Słońca do kropli deszczu
Słońce znajduje się tak daleko od Ziemi, że na skali pojedynczej chmury deszczowej promienie słoneczne są praktycznie równoległe. Dla obłoku czy strefy opadu o szerokości kilku kilometrów różnica w kierunku promieni jest zaniedbywalna. To uproszczenie pozwala przejść do wygodnego matematycznie opisu geometrii tęczy.
Zanim światło dotrze do kropel deszczu, przechodzi przez atmosferę. Część promieni jest rozproszona na cząsteczkach powietrza i aerozolach, co powoduje niebieski kolor nieba. W dni o dużym zapyleniu lub przy dymie z pożarów widmo docierające do kropel deszczu może być nieco „ocieplone” – dominują barwy żółte i czerwone. To z kolei subtelnie zmienia wygląd tęczy (bardziej nasycone czerwienie, nieco przytłumione fiolety).
Część promieni słonecznych przechodzi również przez chmury. Jeżeli opad jest bardzo gęsty, światło może zostać na tyle osłabione, że tęcza staje się słabo widoczna lub znika. Gdy opad jest rozproszony, na tle ciemniejszych chmur burzowych tęcza potrafi być bardzo wyraźna, bo kolorowe pasma kontrastują z ciemnym tłem.
Kluczowy element: nie sama Ziemia „produkuje” tęczę. Zjawisko powstaje w wyniku współdziałania:
promieniowania słonecznego (widmo i natężenie światła),
struktury atmosfery (rozmieszczenie chmur i kropel deszczu),
położenia obserwatora (wysokość nad terenem, kierunek patrzenia, przeszkody w polu widzenia).
Jeśli któryś z tych elementów się zmieni (Słońce zajdzie za gęstą chmurę, deszcz przesunie się, obserwator zmieni miejsce), tęcza może pojawić się, zniknąć lub zmienić kształt i intensywność w ciągu kilkudziesięciu sekund.
Wyobraźmy sobie pojedynczą, idealnie kulistą kroplę deszczu zawieszoną w powietrzu. Z punktu widzenia optyki przypomina ona maleńką kulę szklaną. Do tej kropli trafia promień światła słonecznego. Na granicy powietrze–woda promień zmienia ośrodek i zgodnie z prawem Snelliusa załamuje się, czyli zmienia kierunek. Przy przejściu z rzadszego ośrodka (powietrza) do gęstszego (wody) promień „przechyla się” w stronę normalnej do powierzchni.
Następnie promień biegnie wewnątrz kropli i dociera do przeciwległej wewnętrznej powierzchni. Tam część światła ulega odbiciu wewnętrznemu – promień „zawraca” wewnątrz kropli i zmierza z powrotem ku zewnętrznej powierzchni. Na tym drugim wyjściu z kropli ponownie się załamuje (tym razem z wody do powietrza) i opuszcza kroplę.
Kluczowa sprawa: różne długości fali (różne kolory) załamują się pod nieco innym kątem. Fiolet załamuje się najmocniej, czerwień najsłabiej. Oznacza to, że promienie czerwone wychodzą z kropli pod trochę innym kątem niż promienie niebieskie czy zielone. To właśnie rozszczepienie światła na barwy, warunek konieczny do powstania tęczy.
Kropla deszczu nie ma ostrych krawędzi jak pryzmat, dlatego istnieje w niej wiele możliwych trajektorii promieni: z jednym odbiciem wewnętrznym, z dwoma, trzema, a także ścieżki bez odbicia (światło przechodzi jak przez soczewkę, uginając się, ale nie zawracając). Tylko część z tych ścieżek tworzy jasne, widoczne gołym okiem tęcze. Reszta rozprasza się w różnych kierunkach, tworząc ogólne rozświetlenie deszczu.
Kąt 42° i „uprzywilejowany” kierunek dla tęczy głównej
Obserwator stoi tyłem do Słońca i patrzy na deszcz przed sobą. Każda kropla wokół niego rozszczepia światło, ale nie każda przyczynia się do widocznej tęczy. Dla promieni, które w kropli przeszły jedno odbicie wewnętrzne, istnieje pewien szczególny kąt między kierunkiem do Słońca a kierunkiem, w którym światło wychodzi z kropli i trafia do oka. Dla czerwieni maksymalna intensywność wypada w okolicy 42°, dla fioletu bliżej 40°.
Dlaczego ten kąt jest tak ważny? Analiza optyczna pokazuje, że dla danych parametrów (współczynnik załamania wody, promień kropli) istnieje minimum kąta odchylenia promienia po przejściu przez kroplę i jednym odbiciu. Wokół tego minimum promienie zbliżają się „gęściej”, co przekłada się na maksimum natężenia światła w tym kierunku. Obserwator widzi zatem nie równomiernie rozświetlone niebo, ale jasny pierścień – tęczę główną.
Dla każdej barwy minimum odchylenia występuje przy innym kącie, dlatego w pierścieniu tęczy barwy układają się w określonej kolejności. Na zewnątrz łuku widoczna jest czerwień (większy kąt), dalej ku środkowi – pomarańcz, żółty, zielony, niebieski, aż po fiolet od strony wewnętrznej.
Światło, które wychodzi z kropli pod innym kątem niż około 40–42°, rozprasza się szerzej po niebie i nie tworzy tak wyraźnej struktury. Stąd tęcza nie jest rozmytą, bezkształtną plamą kolorów, lecz wąskim, stosunkowo kontrastowym łukiem, który można geometrycznie wyznaczyć względem linii łączącej Słońce i oko obserwatora.
Źródło: Pexels | Autor: GEORGE KASHCHEEV
Geometria tęczy: dlaczego widzimy łuk, a nie pełne koło
Punkt przeciw-słoneczny i rola obserwatora
Jeśli ktoś chce zrozumieć geometrię tęczy, musi oswoić się z pojęciem punktu przeciw-słonecznego (antisolar point). To punkt na niebie dokładnie naprzeciwko Słońca: leży na prostej przechodzącej przez oko obserwatora i Słońce, ale po drugiej stronie obserwatora. Można sobie wyobrazić, że jeśli Słońce jest 30° nad zachodnim horyzontem, punkt przeciw-słoneczny będzie 30° nad wschodnim horyzontem (gdyby nic nie zasłaniało).
Tęcza główna jest w rzeczywistości okręgiem o promieniu około 42° na sferze niebieskiej, którego środek leży właśnie w punkcie przeciw-słonecznym. Obserwator widzi tylko część tego okręgu, bo ogranicza go horyzont. Każdy punkt na łuku, który widzimy, odpowiada innym kroplom, znajdującym się w odpowiednich kierunkach i odległościach, ale wszystkie spełniają ten sam warunek: linia Słońce–oko–kropla tworzy określony kąt.
Kluczowa konsekwencja: tęcza jest zawsze „prywatna” dla danego obserwatora. Dwie osoby stojące kilka metrów od siebie patrzą tak naprawdę na nieco inne krople, choć z ich perspektywy łuki pokrywają się. Dlatego nie da się „podejść do tęczy” ani wejść pod nią – wraz z ruchem obserwatora zmienia się cały zestaw kropli, które akurat spełniają warunki geometryczne.
Wysokość Słońca nad horyzontem wpływa na to, jak duży fragment okręgu się pokazuje. Gdy Słońce jest nisko (np. 5–10° nad horyzontem), środek okręgu znajduje się bardzo nisko pod horyzontem, więc nad ziemią widać wysoki, szeroki łuk. Gdy Słońce wznosi się wyżej, środek okręgu „idzie” w dół, pod obserwatora, i coraz większa część okręgu jest ucinana przez ziemię.
Co blokuje resztę koła
Stojąc na powierzchni Ziemi, widzimy niebo tylko nad horyzontem. Dolna część okręgu tęczy leży geometrycznie poniżej linii horyzontu, dlatego zostaje zasłonięta przez ziemię, budynki, drzewa czy inne przeszkody. Z tego powodu standardowe „pocztówkowe” ujęcie tęczy to półłuk lub jego część, a nie pełne koło.
Sytuacja zmienia się radykalnie, gdy obserwator znajduje się wysoko nad powierzchnią – w samolocie, na wysokiej górze z przepaścią poniżej, czasem na platformie wiertniczej czy wysokiej wieży. Jeżeli poniżej jest wystarczająco dużo kropli wody (mgła, deszcz, chmury), a Słońce świeci z odpowiedniej strony, można zobaczyć niemal pełne koło tęczy z ciemniejszym środkiem.
Pełne koło tęczy widziane z góry
Ujęcia z samolotu, na których widać pełne, zamknięte koło tęczy, często budzą zdziwienie. Geometria jest jednak ta sama, która działa przy obserwacji z powierzchni Ziemi. Okrąg pozostaje skoncentrowany wokół punktu przeciw-słonecznego, ale tym razem nic nie odcina jego dolnej części, bo pod obserwatorem znajduje się warstwa chmur lub mgły, a nie linia horyzontu.
Z kabiny samolotu pełne koło pojawia się najczęściej wtedy, gdy Słońce jest stosunkowo wysoko, a pod maszyną znajdują się jednorodne chmury lub deszcz. W środku okręgu często można dostrzec cień samolotu, otoczony jasną obwódką (gloria). Widać wówczas dwie nakładające się struktury: duże koło tęczy i mniejszy, bardziej koncentryczny wzór dyfrakcyjny.
Z punktu widzenia fizyki nic „magicznego” się nie dzieje – po prostu obserwator ma dostęp do większego fragmentu sfery niebieskiej, a zestaw kropel, które spełniają warunek kąta około 40–42°, rozciąga się także poniżej linii, którą z poziomu gruntu uznajemy za horyzont.
Dlaczego tęcza czasem wydaje się „płaska” lub zdeformowana
Na zdjęciach z szerokokątnych obiektywów łuk tęczy bywa mocno rozciągnięty, chwilami wygląda prawie jak linia prosta. To kwestia projekcji: aparat przenosi okrąg ze sfery niebieskiej na płaszczyznę matrycy. Przy szerokim kącie widzenia krawędzie kadru deformują geometrię bardziej niż centrum, więc górna część łuku nadal jest zaokrąglona, a końce wydają się „prostować” i uciekać na boki.
Do zniekształceń dochodzi również wtedy, gdy deszcz jest silnie niejednorodny. Fragmenty łuku mogą być jaśniejsze lub ciemniejsze, nagle urywać się w jednym miejscu i wznawiać kilka stopni dalej. Nie świadczy to o zmianie praw optyki, a jedynie o tym, że:
w danej części nieba jest więcej drobnych, dobrze rozpraszających kropli,
albo że lokalnie spada natężenie oświetlenia (np. zasłania je chmura).
Czasem obserwator ma wrażenie, że tęcza „przesuwa się” po niebie. Fakty: łuk jako konstrukcja geometryczna nie zmienia położenia względem linii Słońce–oko. Zmienia się jednak zasób kropel deszczu w danym kierunku. W praktyce widzimy, jak barwny fragment stopniowo gaśnie w jednym miejscu i pojawia się kilka stopni dalej, podążając za przesuwającą się strefą opadów.
Skąd się bierze druga, słabsza tęcza (tęcza wtórna)
Dwa odbicia wewnętrzne w kropli
Pierwsze pytanie brzmi: co różni tęczę główną od tej słabszej, położonej wyżej? W obu przypadkach pracuje to samo Słońce i te same krople deszczu, ale trajektorie promieni są inne. Dla tęczy wtórnej światło w kropli przechodzi co najmniej dwa odbicia wewnętrzne zanim opuści kroplę.
Schemat jest następujący: promień załamuje się przy wejściu do kropli, dociera do przeciwległej ścianki, gdzie ulega pierwszemu odbiciu wewnętrznemu. Następnie biegnie do kolejnej części ścianki, odbija się po raz drugi i dopiero wtedy trafia ponownie do powierzchni, przez którą wychodzi na zewnątrz, znów się załamując. Każdy z tych kroków wiąże się ze stratą części energii (część światła przenika, część odbija się, część jest absorbowana), dlatego natężenie światła po dwóch odbiciach jest znacznie mniejsze niż po jednym.
Obliczenia optyczne pokazują, że dla trajektorii z dwoma odbiciami istnieje inne minimum kąta odchylenia niż dla tęczy głównej. Maksymalna koncentracja promieni czerwonych wypada w okolicach 51–53° od kierunku przeciwsłonecznego (dokładna wartość zależy m.in. od długości fali i współczynnika załamania wody). Dla fioletu kąt jest nieco większy, dlatego barwy układają się odwrotnie niż w tęczy głównej.
Odwrócony porządek barw i ciemna strefa między łukami
Zwykle obserwatorzy najpierw zauważają, że druga tęcza jest bledsza. Druga kluczowa różnica: porządek kolorów jest odwrócony. W tęczy głównej na zewnętrznej krawędzi widoczna jest czerwień, od strony wewnętrznej fiolet. W tęczy wtórnej – odwrotnie: od wnętrza ku zewnętrzu przechodzimy od czerwieni do fioletu.
To nie jest złudzenie optyczne, lecz rezultat geometrii trajektorii. Dla promieni dwukrotnie odbitych kąty ekstremalne dla barw układają się tak, że czerwień wychodzi z kropli pod nieco mniejszym kątem niż fiolet (względem osi przechodzącej przez punkt przeciw-słoneczny). Gdy naniesiemy te kąty na sferę niebieską, układ barw „obraca się” względem tęczy głównej.
Pomiędzy łukiem głównym a wtórnym znajduje się charakterystyczna, ciemniejsza strefa nieba. Nosi nazwę pasa Aleksandra, od Aleksandra z Afrodyzji, który opisał ją już w starożytności. Z czego wynika ten ciemniejszy pas? W obszarze kątów między dwiema tęczami brakuje kierunków, w które promienie się koncentrują. Światło z pojedynczej kropli w tych kierunkach wychodzi słabiej, a suma wkładów z wielu kropel daje zauważalnie niższą jasność nieba niż tuż poniżej tęczy głównej i tuż powyżej tęczy wtórnej.
Dlaczego tęcza wtórna jest tak słabo widoczna
Co wiemy z pomiarów i obliczeń? Dwa odbicia wewnętrzne w kropli prowadzą do:
większych strat energii na każdym kolejnym przejściu przez granicę woda–powietrze,
większego rozmycia kątowego maksimum natężenia (promienie zbiegają się mniej „gęsto” niż przy jednym odbiciu),
silniejszego wpływu rozpraszania w atmosferze na drogę tam i z powrotem (światło ma dłuższą drogę optyczną).
W praktyce przekłada się to na znacznie mniejszą jasność tęczy wtórnej względem pierwszej. Gdy tło nieba jest jasne (np. przy cienkich chmurach wysokich lub mlecznej mgle), kontrast staje się tak mały, że drugiego łuku nie da się dostrzec nieuzbrojonym okiem. Staje się widoczny dopiero przy mocniejszym przetworzeniu zdjęcia, kiedy wzmacnia się różnice w jasności i nasyceniu barw.
Druga tęcza jest najlepiej widoczna, gdy:
Słońce jest stosunkowo nisko (kontrast na tle ciemnych chmur jest większy),
opad jest równomierny i dość intensywny, ale nie aż tak gęsty, by pochłaniał zbyt dużo światła,
tło za łukiem wtórnym jest wyraźnie ciemniejsze niż strefa pod łukiem głównym.
Z punktu widzenia obserwatora oznacza to zwykle chwilę po przejściu frontu burzowego: Słońce wychodzi spod chmur, a na wschodzie wciąż wisi masywny, ciemny wał opadowy. To wtedy aparat i ludzkie oko mają największe szanse uchwycić pełny, choć delikatny, kształt tęczy wtórnej.
Czy istnieją tęcze trzeciorzędowe i czwartorzędowe?
Matematyka i optyka nie zatrzymują się na dwóch odbiciach. W kropli wody mogą powstawać trajektorie z trzema, czterema i większą liczbą odbić. Analiza wskazuje, że:
tęcza trzeciorzędowa (z trzema odbiciami) powinna pojawiać się po tej samej stronie nieba co Słońce,
tęcza czwartorzędowa – również w pobliżu Słońca, ale przy nieco innych kątach.
Teoretyczne kąty odchylenia można obliczyć, podobnie jak dla łuku głównego i wtórnego. Problemem jest jednak skrajnie niskie natężenie światła po tylu odbiciach oraz bardzo jasne tło nieba w pobliżu Słońca. Przez długi czas obserwacje wizualne takich łuków były niepewne i uchodziły za anegdotyczne.
Dopiero w ostatnich latach, dzięki precyzyjnym zdjęciom o wysokiej dynamice i cyfrowej obróbce, udało się zarejestrować kandydatów na tęcze trzeciorzędowe i czwartorzędowe. Są one niezwykle słabe, rozmyte, a ich struktura barwna jest trudna do dostrzeżenia. Z punktu widzenia codziennej obserwacji terenowej pozostają egzotyczną ciekawostką, ale potwierdzają spójność teorii optyki kropel z realnym niebem.
Wpływ rozmiaru kropli na łuk wtórny
W poprzednich fragmentach pojawiło się założenie idealnie kulistych kropli o jednakowym rozmiarze. Rzeczywisty deszcz zawiera:
drobniutkie krople mżawki,
średnie krople typowego deszczu,
większe krople przy intensywnych opadach lub burzach.
Rozmiar kropli ma dwa istotne skutki. Po pierwsze, wpływa na szerokość kątową pasm barwnych: mniejsze krople dają bardziej rozmytą, mleczną tęczę, większe – wyraźniejsze, ostrzejsze granice kolorów. Po drugie, przy dużych kroplach rośnie znaczenie efektów falowych (dyfrakcja, interferencja), co prowadzi do zjawisk takich jak nadliczbowe łuki tuż przy wewnętrznej krawędzi tęczy głównej.
Dla tęczy wtórnej efekty te również występują, ale są trudniejsze do zauważenia z powodu niskiego natężenia światła. W sprzyjających warunkach fotograficznych można jednak uchwycić delikatne, dodatkowe smugi barwne zarówno przy łuku głównym, jak i wtórnym, co dostarcza informacji o rozkładzie rozmiarów kropli w chmurze deszczowej.
Kiedy druga tęcza „znika” mimo sprzyjającej pogody
Często pada pytanie: skoro druga tęcza powinna tworzyć się zawsze, gdy istnieją warunki do powstania pierwszej, dlaczego tak rzadko ją widać? Czego jeszcze brakuje, oprócz samego deszczu i niskiego Słońca?
Kluczową rolę gra kontrast jasności. Jeśli za łukiem wtórnym widoczne są jasne, rozświetlone chmury lub fragmenty błękitnego nieba, delikatny wzrost natężenia światła w wąskim przedziale kątów (charakterystycznym dla tęczy wtórnej) ginie w ogólnym blasku. Do tego dochodzi:
rozpraszanie światła na aerozolach i kryształkach lodu w wyższych warstwach atmosfery, które „dopala” tło,
lokalne przerwy w opadzie w obszarze kątów odpowiadających tęczy wtórnej,
ograniczona czułość i dynamiczny zakres ludzkiego oka przy patrzeniu w jasne rejony nieba.
Z praktycznego punktu widzenia łatwiej zauważyć drugi łuk, gdy:
Słońce częściowo kryje się za ciemniejszą krawędzią chmury (zmniejsza to olśnienie),
główny front opadowy jest zwarty i jednolity,
obserwator ma osłonięte oczy (np. daszkiem czapki), co redukuje rozproszone światło i pozwala skupić się na subtelnych różnicach jasności.
W takich warunkach drugą tęczę można dostrzec nawet w mieście, na tle miejskiego smogu i sztucznego oświetlenia, choć najczyściej rysuje się ona nad otwartymi przestrzeniami – polami, wodą, rozległymi dolinami.
Inne „krewniaki” tęczy: srebrzyste łuki, gloria i iryzacje
Tęcza główna i wtórna to najbardziej spektakularne efekty rozszczepienia światła w atmosferze, ale nie jedyne. Gdy przyjrzeć się niebu uważniej, da się zauważyć zjawiska pokrewne – również wynikające z rozpraszania, załamania i interferencji światła na kroplach wody, choć zwykle w nieco innych warunkach geometrycznych.
Jednym z takich zjawisk jest gloria, czyli barwny, koncentryczny „wieniec” wokół cienia obserwatora rzucanego na chmurę lub mgłę. Mechanizm gloriowy różni się od klasycznej tęczy: dominuje w nim rozpraszanie wsteczne (światło wraca niemal dokładnie w stronę źródła) oraz interferencja falowa między promieniami rozchodzącymi się przez kroplę różnymi ścieżkami. Fizycznie jest to bardziej złożone niż jednokrotne odbicie wewnętrzne, ale nadal opiera się na tej samej triadzie procesów: załamaniu, odbiciu i dyfrakcji.
Gloria pojawia się najczęściej jako wielobarwne pierścienie wokół widma Brockenu, czyli wydłużonego cienia człowieka widocznego na chmurze poniżej szczytu górskiego. Z punktu widzenia obserwatora sytuacja jest podobna jak przy tęczy: konieczne jest odpowiednie ustawienie Słońca, kropli oraz oka. Światło musi docierać od tyłu, trafiać w chmurę pod obserwatorem, a następnie wracać niemal dokładnie w stronę słońca i obserwatora.
Pokrewnym typem zjawiska są iryzacje chmur, czyli delikatne pasma zieleni, różu i błękitu na krawędziach cienkich chmur, widoczne blisko tarczy Słońca. Tu kluczową rolę odgrywa dyfrakcja na niemal jednakowych, bardzo małych kroplach lub kryształkach. Kolory nie układają się w regularny okrąg czy łuk jak w tęczy, lecz w nieregularne „plamy” i pasy. Mimo to źródło jest wspólne: długość fali światła wpływa na jego tor w ośrodku i na granicach dwóch mediów.
Tęcza w kroplach rosy, fontannach i wodospadach
Zjawisko tęczy nie jest zarezerwowane dla rozległych frontów opadowych. Geometria pozostaje ta sama, zmienia się tylko skala i tło. Krople zraszacza ogrodowego, fontanny w parku czy mgła wodospadowa tworzą mniejsze, czasem niemal „kieszonkowe” tęcze.
W tych sytuacjach dominują małe krople, o rozmiarach zbliżonych do kropli mżawki. Skutkiem jest bardziej rozmyty rozkład kątowy i mniej nasycone barwy, ale też możliwość obejścia tęczy z różnych stron. W odróżnieniu od rozległej ściany deszczu, mgiełka z fontanny może otaczać obserwatora, co pozwala „przesuwać” łuk względem tła, szukając najlepszego kontrastu.
W kroplach rosy na trawie lub pajęczynach powstają z kolei mikroskopijne tęcze, najczęściej widoczne dopiero na powiększeniu fotograficznym. Każda kropla działa jak miniaturowa soczewka i pryzmat, rozszczepiając światło wąskim wachlarzem. Kompozycja tysięcy takich kropli tworzy kolorowe, połyskujące powierzchnie, choć gołym okiem dostrzegamy zazwyczaj tylko iskrzące się biele.
Co wiemy z doświadczenia fotografów i obserwatorów terenowych? Najbardziej wyraziste „małe tęcze” pojawiają się:
gdy Słońce jest nisko nad horyzontem, a krople tworzą równomierną mgiełkę,
gdy tłem jest jednolita, ciemniejsza powierzchnia – np. zacieniony las za wodospadem,
gdy między obserwatorem a kroplami nie ma dodatkowych jasnych odbić (np. białych ścian budynków).
Barwy tęczy a fizyka światła białego
Pytanie wraca regularnie: skoro tęcza pokazuje „podstawowe” barwy, co właściwie oznacza biel światła słonecznego? Z pomiarów spektrometrycznych wynika, że Słońce emituje światło o ciągłym widmie, z maksimum energii w zakresie zielono-żółtym, ale z istotną składową w niemal całym paśmie widzialnym. Odbicia i rozszczepienie w kropli deszczu nie „tworzą” nowych kolorów, lecz porządkują już istniejące długości fal według kąta odchylenia.
Klasyczne wyliczenia, jeszcze z czasów Newtona, pokazują, że dla wody zakres kątów ekstremalnego odchylenia dla światła widzialnego (od fioletu do czerwieni) wynosi zaledwie kilka stopni. Krople deszczu działają więc jak naturalny spektroskop o niskiej rozdzielczości: rozkładają ciągłe widmo na pasma, które nasz układ wzrokowy intepretuje jako siedem (lub mniej) wyraźnych kolorów.
Granice między „kolorami” w tęczy nie są obiektywnie ostre. Przejścia są płynne, a to, gdzie kończy się zieleń, a zaczyna błękit, jest w sporej mierze umową kulturową i własnością naszego systemu wzrokowego, który posiada trzy główne typy czopków czułych na różne zakresy długości fal. Światło o długości pośredniej jest interpretowane jako mieszanina pobudzeń tych receptorów, co tworzy wrażenie dodatkowych barw, choć fizycznie mamy do czynienia z jedną długością fali.
Analiza tęczy jest więc praktycznym testem dla teorii widzenia barw: jeśli znany jest współczynnik załamania wody w funkcji długości fali, a także dokładna geometria kąta słonecznego, da się przewidzieć, jakie fragmenty widma będą uprzywilejowane w danym kierunku i jakie wrażenie barwne wywołają u obserwatora.
Tęcza a polaryzacja światła
Klasyczny opis tęczy często pomija polaryzację, ale pomiarowo jest to istotny element. Światło słoneczne przed wejściem do kropli jest w przybliżeniu nieuporządkowane polaryzacyjnie. Na granicy powietrze–woda następuje selektywne tłumienie składowych fali o różnych kierunkach drgań elektrycznych, dlatego światło wychodzące z kropli w kierunkach tworzących tęczę jest w dużym stopniu spolaryzowane.
Można to sprawdzić praktycznie, używając okularów polaryzacyjnych. Obracany filtr zmienia jasność tęczy, czasem niemal ją wygaszając lub, przeciwnie, zwiększając kontrast względem tła. To efekt tego, że wektor polaryzacji promieni tworzących łuk tęczy ma charakterystyczne, uporządkowane ustawienie względem płaszczyzny rozpraszania.
Z punktu widzenia fizyki jest to kolejne potwierdzenie, że w kropli deszczu dochodzi nie tylko do prostego załamania, lecz do pełnego zestawu efektów falowych: selektywnego odbicia zależnego od polaryzacji (prawo Fresnela), interferencji na różnych trajektoriach oraz dyfrakcji na krawędziach geometrycznego „obrazu” kropli. To właśnie subtelne efekty polaryzacyjne tłumaczą częściowo obserwowane różnice jasności tęczy w zależności od kąta patrzenia i położenia względem Słońca.
Tęcza w innych ośrodkach: metan, kryształy lodu i planety obce
Standardowy obraz tęczy odnosi się do kropli czystej wody. Ale współczynnik załamania zależy od składu chemicznego i temperatury ośrodka, więc w innych warunkach fizycznych łuk tęczy byłby nieco inny. Pojawia się pytanie kontrolne: co wiemy o „tęczach” w innych atmosferach?
Z modeli wynika, że w atmosferach zawierających np. metan lub amoniak mogłyby pojawiać się analogi tęczy, ale o innych kątach odchylenia i przesuniętej palecie barw, wynikającej z selektywnej absorpcji części widma. W dodatku różne gazy i aerozole modyfikują intensywność światła w danych zakresach długości fal, co mogłoby zubażać lub wzmacniać konkretne barwy łuku.
W naszej atmosferze rolę odmiennego ośrodka pełnią kryształki lodu. Ich budowa jest anizotropowa, a kształty (słupki, płytki) znacznie odbiegają od sfer. Dlatego zamiast klasycznej tęczy pojawiają się halo słoneczne – pierścienie, łuki i „słońca poboczne” wokół Słońca. Choć ich geneza optyczna również opiera się na załamaniu i odbiciu, geometria jest inna: dominują kąty związane z kątem łamiącym dla heksagonalnego kryształu lodu, a nie z ekstremum odchylenia w kropli sferycznej.
Porównanie tęczy wodnej i zjawisk halo pozwala testować modele rozpraszania w złożonych ośrodkach – od atmosfer planet po chmury pyłu międzygwiazdowego. Jeśli uda się odczytać z „kształtu” łuku informację o współczynniku załamania i wielkości cząstek, można wnioskować o składzie i strukturze atmosfery bez bezpośredniego pobierania próbek.
Tęcza a skala: od pojedynczej kropli do warstwy chmur
Optyczne wyjaśnienie tęczy często zaczyna się od pojedynczej kropli. To uzasadnione matematycznie – łatwiej śledzić tor światła w idealnej sferze niż w chaotycznym, trójwymiarowym środowisku deszczu. Problem pojawia się przy przejściu do skali makro: jak z miliardów kropli powstaje spójny, gładki łuk? Co decyduje, że nie widzimy jedynie losowej mozaiki jaśniejszych i ciemniejszych smug?
Odpowiedź kryje się w geometrii stożka tęczy. Dla danego kąta odchylenia promienie wychodzące z ogromnego obszaru deszczu trafiają w jedną i tę samą rodzinę kierunków przestrzennych. Każda kropla, która znajdzie się na odpowiednim „ringu” wokół obserwatora, dokłada swój niewielki wkład, a efekt sumuje się na tle stosunkowo jednorodnego rozświetlenia nieba. W rezultacie powstaje łuk o wysokiej gładkości kątowej, nawet jeśli fizyczny rozkład kropli w przestrzeni jest mocno niejednorodny.
Z drugiej strony lokalne różnice gęstości opadów, obecność chmur i smug deszczu o różnej grubości powodują zniekształcenia: przerwy w łuku, zmiany intensywności, a nawet fragmentację tęczy na kilka krótszych, nierównomiernie jasnych odcinków. W praktyce terenowej widać to np. nad miastem, gdzie kolumny intensywniejszego deszczu przeplatają się z obszarami niemal suchymi.
Czego wciąż nie opisuje prosta teoria kropli? Pełne modelowanie obejmuje:
rozmycie wiązki słonecznej na skutek rozpraszania w innych warstwach atmosfery,
wpływ aerozolu i zanieczyszczeń na tło jasności i barwy,
trójwymiarową strukturę chmur i opadów w skali kilku–kilkunastu kilometrów.
Te czynniki są obecnie uwzględniane w numerycznych modelach transferu promieniowania, używanych m.in. w teledetekcji satelitarnej. Tęcza, choć kojarzy się z estetyką, stanowi więc również test dla złożonych algorytmów opisujących zachowanie światła w atmosferze.
Tęcza w mieście i na wsi: wpływ tła i zanieczyszczeń
Warunki obserwacji tęczy w środowisku zurbanizowanym różnią się od tych nad otwartymi przestrzeniami. Z jednej strony miejskie aerozole (dym, smog, pyły) rozpraszają światło dodatkowo, co podnosi jasność tła i obniża kontrast obu łuków. Z drugiej strony światło odbite od elewacji budynków, szyb i asfaltu może tworzyć lokalne „plamy” jasności, utrudniając odróżnienie subtelnych przejść w pasie barwnym.
Na obszarach wiejskich i nad wodą niebo bywa optycznie „czystsze”. Mniej jest źródeł światła sztucznego, tło za tęczą częściej tworzą jednolite, masywne chmury, a horyzont jest odsłonięty. To sprzyja szczególnie obserwacji pełnych łuków oraz tęczy wtórnej. Jednym z typowych obrazów jest podwójna tęcza nad uprawami lub nad jeziorem, gdzie lustro wody dodatkowo odbija łuk, tworząc niemal pełne koło w korelacji z rzeczywistym, geometrycznym stożkiem tęczy.
Zanieczyszczenia mają także wymiar barwny. Cząstki aerozolu o rozmiarach porównywalnych z długością fali światła (w reżimie tzw. rozpraszania Miego) modyfikują zależność intensywności od długości fali inaczej niż czyste cząstki wodne. W praktyce może to nieznacznie zmieniać odcień tła nieba, przesuwając percepcję barw łuku (np. przydymiona, „rdzawa” czerwień w pobliżu zachodów Słońca nad dużymi aglomeracjami).
Tęczowe efekty w kulturze a realne zjawisko fizyczne
Tęcza od wieków funkcjonuje w ludzkiej kulturze jako symbol – przymierza, nadziei, różnorodności. Ten wymiar jest niezależny od fizyki, ale zyskuje na precyzji, gdy wiadomo, z czym ma się do czynienia. W praktyce opis naukowy prostuje kilka utrwalonych wyobrażeń.
Co warto zapamiętać
Tęcza powstaje wyłącznie przy jednoczesnym współdziałaniu trzech elementów: światła słonecznego, kropel wody w atmosferze oraz odpowiedniego położenia obserwatora względem Słońca i obszaru opadu.
Mechanizm podstawowej tęczy i tęczy wtórnej da się dobrze wyjaśnić geometrią promieni w idealnie kulistych kroplach: światło zostaje w nich załamane, odbite wewnętrznie i rozszczepione na barwy o różnych kątach wyjścia.
Położenie Słońca decyduje, czy tęcza będzie widoczna: przy wysokim Słońcu klasyczny łuk „chowa się” pod horyzontem, natomiast przy niskim Słońcu (np. po popołudniowym deszczu) łuk jest wysoki i dobrze zarysowany.
To, co nazywamy „białym” światłem słonecznym, jest ciągłym widmem wielu długości fal; dlatego tęcza ma płynne przejścia barw, a podział na siedem kolorów jest umowny i kulturowy, a nie wynika z ostrego podziału fizycznego.
Widoczność i kolorystyka tęczy zależą od stanu atmosfery: rozpraszanie światła na cząsteczkach powietrza, aerozolach czy dymie może „ocieplać” widmo (mocniejsze czerwienie, słabsze fiolety), a gęsty opad lub chmury mogą ją niemal wygasić.
Tęcza jest zjawiskiem granicznym między kosmicznym promieniowaniem słonecznym a lokalną pogodą: zmiana położenia obserwatora, przesunięcie strefy deszczu czy wejście Słońca za chmurę potrafią w ciągu chwil całkowicie zmienić jej kształt i intensywność.
