Ile kolorów ma tęcza?

Do zro­bie­nia tęczy potrze­bu­jesz dwóch rzeczy: zawie­szo­nych w powie­trzu kro­pe­lek wody (deszcz, mgła, pry­ska­ją­ca fon­tan­na…) i prze­cho­dzą­cych przez nie pro­mie­ni Słońca. Po per­fek­cyj­nym zło­że­niu obu tych czyn­ni­ków powin­ni­śmy zoba­czyć w powie­trzu efek­tow­ny świe­tli­sty łuk o siedmiu kolo­rach, od czer­wie­ni po fiolet.

No właśnie, skąd te wszystkie kolory tęczy?

Zacznij­my więc od tego, że “białe” światło, jakie odbie­ra­my w ciągu dnia, to swego rodzaju iluzja. W rze­czy­wi­sto­ści Słońce emituje całe spek­trum fal elek­tro­ma­gne­tycz­nych o prze­róż­nych dłu­go­ściach – a jak pewnie wiesz, poszcze­gól­ne barwy są po prostu wycin­ka­mi widma o okre­ślo­nej dłu­go­ści. Ponie­waż pro­mie­nie sło­necz­ne to mie­szan­ka roz­ma­itych fal, nasze mózgi posta­no­wi­ły je inte­pre­to­wać neu­tral­nie, jako bliskie bieli. 

Kro­pel­ki światła psują tę iluzję: roz­plą­tu­ją promień białego światła, roz­kła­da­jąc go na osobne części skła­do­we. Dzia­ła­ją ana­lo­gicz­nie do pry­zma­tów, czyli tych szkla­nych trój­kąt­nych bryłek, którymi lubił bawić się Izaak Newton. To właśnie on, jako pierw­szy zauwa­żył, że kolory mają związek z wła­ści­wo­ścia­mi światła, a pro­mie­nie sło­necz­ne są pozba­wio­ne barwy tylko pozornie. 

Newton słusz­nie wyde­du­ko­wał, że światło o poszcze­gól­nych kolo­rach zała­mu­je się pod nieco innym kątem – błękit pod więk­szym od żółci, a żółć pod więk­szym od czer­wie­ni. Dlatego “białe” światło wpa­da­ją­ce do pry­zma­tu, pod­le­ga­ją­ce zała­ma­niom i odbi­ciom, musiało uka­zy­wać swoją praw­dzi­wą naturę, roz­dzie­la­jąc się poszcze­gól­ne pasma składowe. 

Niezłe osią­gnię­cie zwa­żyw­szy na fakt, że Anglik nie miał bladego pojęcia, co do praw­dzi­wej natury światła. Nie myślał o falach, przy­pusz­cza­jąc, że barwy zależą od wiro­wa­nia mają­cych budować światło mikro­sko­pij­nych kuleczek.

Dobra, dobra, ale dlaczego tęcza ma akurat te 7 kolorów?

Wła­ści­wie Inter­ne­cie już padła odpo­wiedź na to pytanie, ale może ją dopre­cy­zu­ję. Światło to fala elek­tro­ma­gne­tycz­na, która może przyj­mo­wać różne dłu­go­ści. Nasze oczy dostrze­ga­ją tylko drobny wycinek tego widma – światło widzial­ne – obej­mu­ją­ce wszyst­kie kolory tęczy, od fioletu (naj­krót­sza fala, około 400 nano­me­trów) po czer­wień (naj­dłuż­sza fala, około 700 nano­me­trów). Pomię­dzy nimi znaj­du­ją się barwy pośred­nie, a więc nie­bie­ski, indygo/cyjan (zwał jak zwał), zielony, żółty i pomarańczowy.

Poza tym frag­men­tem widma, pro­mie­nio­wa­nie elek­tro­ma­gne­tycz­ne pozo­sta­je nie­wi­dzial­ne dla naszych zmysłów. Jeste­śmy ślepi na fale o więk­szej dłu­go­ści od czer­wie­ni z jednej strony (pod­czer­wień); oraz na fale krótsze od fioletu (ultra­fio­let) z drugiej.

Ej, to akurat ciekawe. Czyli tęcza ma również niewidzialne fragmenty?

Tak, przy­naj­mniej czę­ścio­wo. Zwykle sku­pia­my się na tym, ile kolorów ma tęcza, bo inte­re­su­je nas wyłącz­nie światło widzial­ne. Tym­cza­sem kom­plet­ny zakres widmowy tęczy wynika z wła­ści­wo­ści atmos­fe­ry oraz kro­pe­lek wody. Dokład­niej z tego, ile pro­mie­nio­wa­nia prze­pusz­czą, a ile zatrzy­ma­ją dla siebie. 

Zasada jest taka, że woda lepiej prze­pusz­cza światło o krót­kiej fali, niż to o fali długiej. Z tego samego powodu przed­mio­ty zanu­rzo­ne głęboko w wodzie wydają się bar­dziej nie­bie­skie – bo czer­wo­na część widma zostaje po drodze pochło­nię­ta. Dotyczy to także nie­wi­dzial­ne­go spek­trum pro­mie­nio­wa­nia. Woda absor­bu­je ponad 90% pod­czer­wie­ni, ale prze­pusz­cza więk­szość ultra­fio­le­tu do dłu­go­ści 200 nanometrów.

Jednak przy spek­trum krót­kich fal pojawia się inna prze­szko­da. Chociaż pro­mie­nie UV są emi­to­wa­ne przez Słońce w dużej obfi­to­ści, docie­ra­ją do nas tylko jego resztki (i dobrze, chyba, że lubicie karmić czer­nia­ka). Więk­szość ultra­fio­le­tu potyka się o warstwę ozonową i resztę czą­ste­czek stra­tos­fe­ry, a do ziemi docie­ra­ją niemal wyłącz­nie jego odfil­tro­wa­ne pozo­sta­ło­ści o naj­niż­szej energii i dłu­go­ści (315−400 nm).

Krótko mówiąc, granice wyzna­cza­ją wła­ści­wo­ści absorp­cyj­ne wody oraz powie­trza. Gdy­by­śmy więc potra­fi­li widzieć szerszy wycinek widma, tęcza na pewno wyglą­da­ła­by dla nas nieco inaczej i zyska­ła­by nieco na sze­ro­ko­ści z obu stron. Nie byłaby to jednak różnica kolo­sal­na. Możesz się sam prze­ko­nać, ponie­waż cie­kaw­scy ludzie już dawno wpadli na pomysł prze­pro­wa­dze­nia tego typu obserwacji. 

Pierw­sze zdjęcie tęczy w pod­czer­wie­ni wyko­na­ne przez Roberta Gre­en­le­ra trafiło nawet na okładkę maga­zy­nu Science we wrze­śniu 1971 roku. Nie powie­dział­bym jednak, że to naj­lep­szy wybór, jeśli szukasz tapety na telefon.

Tak mi jeszcze przyszło do głowy: czy tęcza to wyłącznie ziemskie zjawisko?

Wszę­dzie tam, gdzie wystę­pu­je światło i drobne kro­pel­ki prze­zro­czy­stej cieczy, mogą powsta­wać tęcze. Biorąc pod uwagę, że na powierzch­ni obcego ciała nie­bie­skie­go atmos­fe­ra będzie miała inną struk­tu­rę, a padać może nie­ko­niecz­nie woda – tęcza również powinna różnić się od ziemskiej.

Za przy­kład może posłu­żyć Tytan. Naj­więk­szy księżyc Saturna, znany jest z wyjąt­ko­wo gęstej, azo­to­wej atmos­fe­ry i desz­czów cie­kłe­go metanu. Ten prze­pusz­cza światło, więc jak naj­bar­dziej ma poten­cjał do ufor­mo­wa­nia tęczy. Co prawda na powierzch­ni Tytana jest ciem­niej niż u nas, więc gołym, ludzkim okiem praw­do­po­dob­nie nie zoba­czy­li­by­śmy niczego spek­ta­ku­lar­ne­go. Jed­no­cze­śnie metan absor­bu­je znacz­nie mniej pro­mie­nio­wa­nia o długiej fali pro­mie­nio­wa­nia niż woda, toteż uży­wa­jąc nok­to­wi­zo­ra, mogli­by­śmy podzi­wiać bardzo inten­syw­ną tęczę w podczerwieni.

A TAK W OGÓLE TO… To, jak postrze­ga­my tęczę wynika z ogra­ni­czeń ludz­kich zmysłów i mózgu. One spra­wia­ją, że fale elek­tro­ma­gne­tycz­ne o okre­ślo­nej dłu­go­ści odbie­ra­my jako kon­kret­ne kolory, jak również, że nie widzimy szer­sze­go frag­men­tu widma. Przy­kła­do­wo ptaki posia­da­ją posia­da­ją nie trzy (jak my), lecz cztery rodzaje foto­re­cep­to­rów i potra­fią widzieć również w zakre­sie ultra­fio­le­tu. Dla gołębia czy wróbla tęcza wygląda więc nieco inaczej niż dla ciebie.

(Ha, udało mi się napisać cały tekst o tęczy i ani razu nie użyć słowa dyspersja!)