رنگین کمان

یکی از باشکوه ترین شاهکارهای طبیعت، رنگین کمان است که نمایشی از پاشندگی نور سفید می باشد. نشان می دهد که نور مرئی از طیف های رنگی با طول موج های متفاوت تشکیل شده اند. برای دیدن رنگین کمان می بایستی پشت به خورشید و با زاویه ی تقریباً 40 درجه نسبت به زمین به جوی که شامل قطرات معلق آب می باشد، نظاره کنید. هر یک از قطرات آب مثل منشور باعث پاشندگی نور سفید می شوند که به چشم شما می رسد.

قطرات آب چگونه سبب پاشندگی نور و بازتابش می شوند و چرا الگوی رنگین کمان از بالا به پایین ظاهر می شود. در این درس به این سؤالات پاسخ می دهیم. در درس های قبلی با مفاهیمی نظیر شکست، بازتابش داخلی و پاشندگی آشنا شدید.

مسیر نور در یک قطره

قطرات معلق آب در جو؛ شکست دهنده ی نور هستند. چگالی نوری آب بیشتر از هوا می باشد. امواج نور هنگام گذر از مرز میان دو محیط می شکنند. سرعت نور در آب کاهش می یابد و هنگام ورود به قطره مسیر نور خمیده می شود و به خط عمود نزدیک می شود. هنگام خروج از قطره ی آب، سرعت نور افزایش یافته و مسیر نور منحرف شده و از خط عمود دور می شود.

پرتو های نور زیادی با زوایای مختلف و در مسیر های متفاوت داخل قطره آب می شوند. یکی از مسیرهای مهم که در رنگین کمان اهمیت دارد، مسیری است که در آن برای نور پس از وارد شدن به قطره، رویداد بازتابش داخلی کلی رخ می دهد.  که در شکل سمت چپ مشاهده می شود. در این شکل، نور دو بار شکسته شده و یک بار بازتاب داخلی کلی می کند. در این مراحل، نور پاشیده شده و به چشم ناظری که در سطح زمینی قرار دارد، خمیده می شود.

ممکن است راه های دیگری برای مسیر نور وجود داشته باشد که به مسیرهای مشابه منجر شود، در برخی مواقع ممکن است نور بدون بازتاب داخلی از سمت دیگر قطره و فقط با دو شکست از قطره ی آب خارج شود. برای نقطه ورودی نور که در شکل دیده می شود، غلظت بهینه ای از نور وجود دارد که قطرات را در هوا نسبت به زمین تحت زاویه مشخصی نگه می دارد. طول موج های کوتاه نور مثل آبی و بنفش نسبت به طول موج های بلند نور مثل قرمز، بیشتر دچار شکست شده و از آنجا که مرز ها به موازات هم قرار نگرفته اند، پس این شکست دو گانه جدایی – قابل تشخیص رنگ های نور خورشید به طیف های سازنده اش را موجب می شود.

برای نور قرمز، زاویه ی انحراف، بین پرتو های نور ورودی خورشید و پرتوهای شکست به سمت چشم ناظر تقریباً 42 درجه است. چون طول موج نور آبی بیشتر از طول موج نور قرمز است. زاویه ی انحرافش نسبت به پرتوهای اولیه نور خورشید 40 درجه می باشد. لذا نور قرمز با انحراف بیشتری نسبت به نور فرودی به چشم ناظر می رسد. شایان ذکر است که مسیرهای زیادی برای نور خورشید وجود دارد، اما مسیر ذکر شده بالا در تشکیل رنگین کمان و مشاهده ی آن توسط ناظر روی زمین از اهمیت خاصی برخوردار است. این مسیرها به محل خورشید و مسیر پرتو نور خورشید فرود آمده به قطره ی آب بستگی دارد.

تشکیل رنگین کمان

رنگین کمان اکثر اوقات به صورت یک قوس دایره ای در آسمان مشاهده می شود؛ ناظر روی زمین قوسی از دایره را مشاهده می کند که بالاترین رنگ آن قرمز است.

اگر شما رنگین کمان را از داخل هواپیما مشاهده کرده باشید، متوجه خواهید شد که رنگین کمان دایره ی کاملی است که ناظران روی زمین تنها قسمتی از نیم دایره ی بالایی را مشاهده می کنند، قسمت پایینی نیم دایره به علت وجود زمینی غیر قابل مشاهده است. (قطرات معلق آب، زیر زمینی وجود ندارند، با این حال ناظران درهواپیما قوس بالا و پایین رنگین کمان را به طور کامل می توانند مشاهده کنند.)

علت دایره ای بودن رنگین کمان این است که مجموعه ای از قطرات معلق موجود در جو که می توانند زاویه ی انحراف 40 تا 42 درجه را نسبت به مسیر اولیه نور خورشید ایجاد نمایند، روی قوس دایره ای شکلی قرار می گیرند. هر یک از قطرات آب روی قوس دایره ای رنگین کمان، نور سفید خورشید را شکست داده و می پاشند.

همان طور که در بالا ذکر شده، نور قرمز نسبت به نور آبی با زاویه بزرگتری انحراف می یابد و به زمینی می رسد. پس وقتی زاویه ی دید ناظر نسبت به زمینی بیشتر باشد، قطرات آب در این راستا، نور قرمز را به سمت چشم ناظرشکست می دهند.نور آبی هم از همین قطرات با زاویه ی انحراف کمتری از بالای سر ناظر می گذرند. لذا وقتی شیب زاویه ی دید نسبت به زمینی بیشتر باشد، نور قرمز توسط ناظر مشاهد خواهد شد. بطور مشابه اگر اندازه زاویه دید کمتر باشد، قطرات آب در این راستای دید ناظر، نور آبی را به چشم ناظر می رسانند و نور قرمز با زاویه ی انحراف بزرگتر به پاهای ناظر می رسند. به همین دلیل است که نور قرمز در بالاترین قسمت قوس رنگین کمان و نور آبی در قسمت پایین رنگین کمان مشاهده می شود.

تشکیل رنگین کمان فقط به پاشندگی نور توسط قطرات باران محدود نمی شود. ریزش پر فشار آب از یک آبشار قطرات ریز آب را به وجود می آورد که می توانند رنگین کمان تشکیل دهد. آب پاش ها هم می توانند تولید کننده ی قطرات ریز آب و در نتیجه تشکیل رنگین کمان باشند. نور خورشید، قطرات معلق آب و زاویه ی دید مناسب، سه عامل اصلی تشکیل رنگین کمان می باشند.

مرکز یادگیری سایت تبیان - تهیه و تنظیم : نوربخش