Πώς δημιουργείται το ουράνιο τόξο;

Πώς ακριβώς όμως λειτουργεί η ανάκλαση και διάθλαση του φωτός, γιατί τα ουράνια τόξα είναι τόξα και γιατί η σειρά των χρωμάτων είναι πάντα η ίδια; -Γράφει ο Ευστράτιος Χρ. Γεωργουδής

 

Σε ποιον δεν αρέσουν τα ουράνια τόξα; Εμφανίζονται σχεδόν μαγικά από το πουθενά, είναι πολύχρωμα και βγαίνουν συνήθως μετά από βροχή, δημιουργώντας μια τρομερή αντίθεση με τον μουντό, συννεφιασμένο ουρανό. Δεν είναι καθόλου τυχαίο που οι άνθρωποι συμβολίζουν τα ουράνια τόξα ως την ελπίδα που έρχεται μετά από την καταστροφή.

Το ουράνιο τόξο είναι μια εξαιρετική επίδειξη της ανάλυσης του λευκού ηλιακού φωτός σε χρώματα. Για να μπορέσουμε να δούμε ένα ουράνιο τόξο θα πρέπει η πλάτη μας να είναι στραμμένη στον ήλιο και να κοιτάζουμε προς ένα σημείο του ουρανού όπου υπάρχουν αιωρούμενα σταγονίδια νερού, συνήθως δηλαδή κατά τη διάρκεια ή αμέσως μετά από μια βροχή. Κάθε σταγονίδιο λειτουργεί σαν ένα μικροσκοπικό πρίσμα που διαθλά και ανακλά το φως προς τα μάτια σου και το συνολικό αποτέλεσμα εκατομμυρίων τέτοιων σταγονιδίων είναι ένα τόξο από χρώματα.
Πώς ακριβώς όμως λειτουργεί η ανάκλαση και διάθλαση του φωτός, γιατί τα ουράνια τόξα είναι τόξα και γιατί η σειρά των χρωμάτων είναι πάντα η ίδια;
Για αρχή, ας βγάλουμε κάποια πράγματα από τη μέση.

Το ουράνιο τόξο είναι μια οφθαλμαπάτη.

r4Δεν υπάρχει κάπου συγκεκριμένα στον χώρο αλλά δημιουργείται στο οπτικό μας πεδίο όταν οι συνθήκες είναι οι κατάλληλες. Δεν μπορούμε ποτέ να φτάσουμε στην άκρη του ουράνιου τόξου, γιατί το ουράνιο τόξο κινείται μαζί με εμάς! Αν υπολογίζατε στην κατσαρόλα με χρυσάφι που υπάρχει στο τέλος ενός ουράνιου τόξου λυπάμαι αλλά ατυχήσατε.
Ας ξεσκονίσουμε λίγο λοιπόν τις γνώσεις μας στην οπτική, για να μπορέσουμε να καταλάβουμε τον τρόπο δημιουργίας του ουράνιου τόξου.

Το ουράνιο τόξο δημιουργείται ως αποτέλεσμα της ανάκλασης και της διάθλασης του φωτός!

Όταν το φως περνάει από ένα διαφανές μέσο διάδοσης σε ένα άλλο (π.χ. από τον αέρα στο νερό) ένα μέρος του απορροφάται, ένα μέρος του ανακλάται, ενώ το υπόλοιπο διαθλάται, δηλαδή περνάει στο δεύτερο μέσο αλλάζοντας πορεία.
Η αλλαγή στην πορεία του φωτός οφείλεται στην αλλαγή της ταχύτητάς του όταν περνάει από το ένα μέσο στο άλλο, για παράδειγμα στον αέρα το φως ταξιδεύει ταχύτερα απ’ ότι στο νερό. Λόγω της διάθλασης του φωτός τα αντικείμενα μέσα στο νερό πολλές φορές φαίνονται λυγισμένα ή βρίσκονται σε διαφορετικό σημείο από αυτό που φαίνονται να είναι.
Σε μια ειδική περίπτωση, το φως που διαδίδεται μεταξύ δύο μέσων μπορεί να υποστεί ολική εσωτερική ανάκλαση, δηλαδή να μην υπάρξει μετάδοση και το φως να ανακλαστεί σαν να έπεσε πάνω σε έναν καθρέφτη. Η περίπτωση αυτή συμβαίνει όταν το φως προσπαθεί να περάσει από ένα περισσότερο πυκνό μέσο σε ένα άλλο (π.χ. από το νερό στον αέρα) και η γωνία πρόσπτωσης είναι μεγαλύτερη από μια «κρίσιμη γωνία», η οποία είναι διαφορετική για διαφορετικούς συνδυασμούς μέσων διάδοσης.

r1Πως δημιουργείται το ουράνιο τόξο;

Το ουράνιο τόξο δημιουργείται λόγω της ανάκλασης και διάθλασης του φωτός από σταγονίδια νερού που αιωρούνται στον αέρα.
Υπάρχουν αμέτρητοι τρόποι με τους οποίους οι ηλιακές ακτίνες μπορούν να περάσουν μέσα από μία σταγόνα νερό, αλλά στη συγκεκριμένη περίπτωση μας ενδιαφέρουν οι ακτίνες που πέφτουν στις σταγόνες, αλλάζουν πορεία μέσα στο νερό, ανακλώνται από το πίσω μέρος της σταγόνας και εξέρχονται από αυτή ξανά-μανά-αλλάζοντας πορεία.

Στο σημείο αυτό βρίσκεται όλη η ουσία της υπόθεσης. Τα διαφορετικά χρώματα, τα οποία αποτελούν το άχρωμο, λευκό φως, διαδίδονται με διαφορετικές ταχύτητες μέσα στη σταγόνα (εξαιτίας των διαφορετικών τους μηκών κύματος). Αυτό κάνει το κάθε χρώμα να εκτρέπεται σε διαφορετικό βαθμό καθώς μπαίνει και βγαίνει από το νερό και έτσι το φως που βγαίνει από τη σταγόνα δεν είναι πια λευκό αλλά ένα συνεχές φάσμα από τα χρώματα που το αποτελούν.
Για να δούμε ένα ουράνιο τόξο πρέπει οι ηλιακές ακτίνες που πέφτουν στις σταγόνες και οι εξερχόμενες από αυτές να σχηματίζουν γωνία περίπου 41 με 42 μοίρες (41,07° για το ιώδες, 42,52° για το κόκκινο). Γιατί αυτές οι συγκεκριμένες γωνίες; Γιατί στις γωνίες αυτές το εξερχόμενο φως έχει τη μεγαλύτερη δυνατή ένταση.

Γιατί η σειρά των χρωμάτων είναι συγκεκριμένη;

Όλα τα ουράνια τόξα έχουν την ίδια ακολουθία χρωμάτων: Κόκκινο, πορτοκαλί, κίτρινο, πράσινο, κυανό, και ιώδες.
Αν παρατηρήσουμε το φάσμα που εξέρχεται από μια σταγόνα, τα χρώματα είναι σε αντίθετες θέσεις από τα χρώματα του ουράνιου τόξου. Για παράδειγμα, το ιώδες είναι στην κορυφή της ακολουθίας αλλά στο ουράνιο τόξο φαίνεται να έχει την χαμηλότερη θέση.
Αυτό συμβαίνει για έναν πολύ απλό λόγο. Επειδή το κόκκινο χρώμα έχει την μεγαλύτερη γωνία εκτροπής σε σχέση με την εισερχόμενη ακτίνα, για να καταλήξει στα μάτια σου και όχι οπουδήποτε αλλού, πρέπει να προέρχεται από σταγόνες που βρίσκονται πιο ψηλά σε σχέση με τις σταγόνες που δίνουν τα υπόλοιπα χρώματα. Έτσι, το κόκκινο χρώμα φαίνεται να βρίσκεται πιο ψηλά στον ουρανό. Αντίστοιχα, το ιώδες προέρχεται από τις σταγόνες που βρίσκονται χαμηλότερα από τις υπόλοιπες, γι’ αυτό και βρίσκεται στον πάτο του ουράνιου τόξου.

Γιατί το ουράνιο τόξο έχει αυτό το σχήμα;

r3Μπορεί να σας γκρεμίσω όλη την κοσμοθεωρία σας με αυτό, αλλά το ουράνιο τόξο…δεν είναι τόξο! Είναι ένας κύκλος που έχει ως κέντρο την προέκταση της σκιάς του κεφαλιού σας. Το υπόλοιπο κομμάτι του κύκλου κρύβεται κάτω από το έδαφος, όπου προφανώς δεν υπάρχουν αιωρούμενα σταγονίδια για να δημιουργήσουν ουράνιο τόξο.
Όσο πιο χαμηλά είναι ο ήλιος στον ορίζοντα, τόσο μεγαλύτερο κομμάτι του κύκλου μπορούμε να δούμε. Αν βρισκόμαστε σε ένα αεροπλάνο, ή ακόμα και σε ένα αρκετά υψηλό σημείο από το οποίο θα μπορούσαμε να δούμε και πάνω και κάτω από τον ορίζοντα, θα βλέπαμε το ουράνιο τόξο όπως πραγματικά είναι: ένας ουράνιος κύκλος!

Οπότε η ερώτηση πιο σωστά γίνεται “Γιατί το ουράνιο τόξο είναι ένας κύκλος;”.

1413004153588_wps_17_PIC_BY_BIRDSEYE_VIEW_AERI
Πλήρες ουράνιο τόξο. Λήψη μέσα από ελικόπτερο

Όλες οι σταγόνες που βρίσκονται στις κατάλληλες θέσεις για να δώσουν ένα ουράνιο τόξο, ανήκουν στην επιφάνεια ενός φανταστικού κώνου, η κορυφή του οποίου βρίσκεται στα μάτια μας. Οι σταγόνες αυτές δεν είναι απαραίτητα η μία κοντά στην άλλη αλλά σε διάφορες αποστάσεις, από μερικά έως και εκατοντάδες μέτρα. Οπότε ουσιαστικά, αυτό που βλέπουμε είναι μια «φέτα» του κώνου, σαν να βλέπουμε έναν κώνο από την κορυφή του, εξ’ ου και το κυκλικό σχήμα.

Γιατί καμιά φορά υπάρχουν δύο ουράνια τόξα;

r2Τα δευτερεύοντα ουράνια τόξα προκαλούνται από διπλή ανάκλαση του φωτός μέσα στις σταγόνες, από ακτίνες που εισχωρούν από το κάτω μισό μέρος τους. Για να φτάσουν οι εξερχόμενες ακτίνες στα μάτια μας, οι σταγόνες που δημιουργούν το δευτερεύον ουράνιο τόξο πρέπει να βρίσκονται πιο ψηλά από τις σταγόνες που δίνουν το πρωτεύον τόξο. Η γωνία μεταξύ των ηλιακών ακτίνων, των σταγόνων και των ματιών σου είναι περίπου 50 με 53 μοίρες, ενώ τα χρώματα των δευτερευόντων τόξων είναι αντεστραμμένα αλλά και πιο αχνά, καθώς με κάθε ανάκλαση το φως μειώνεται σε ένταση.
Ίσως ένα από τα πιο συναρπαστικά πράγματα σχετικά με τα ουράνια τόξα είναι πως κάθε άνθρωπος, βλέπει το δικό του, μοναδικό φαινόμενο. Θα έχει τύχει εκεί που κάθεστε με έναν φίλο δίπλα-δίπλα, να εμφανιστεί ένα ουράνιο τόξο. Μπορεί να νομίζετε πως βλέπετε ακριβώς το ίδιο πράγμα, ωστόσο η θέση του ουράνιου τόξου εξαρτάται από τη δική σας θέση, που βρίσκεσαι και προς τα που κοιτάζετε. Επειδή λοιπόν δύο ζευγάρια μάτια δεν μπορούν να καταλαμβάνουν την ίδια θέση στον χώρο την ίδια χρονική στιγμή, ο κάθε ένας σας βλέπει ένα (ομολογουμένως ελάχιστα) διαφορετικό ουράνιο τόξο που προέρχεται από διαφορετικές σταγόνες!

Αυτό σημαίνει πως ο ουρανός είναι γεμάτος πιθανά ουράνια τόξα που περιμένουν υπομονετικά να τα βιώσουμε, αρκεί να κοιτάξουμε προς τη σωστή κατεύθυνση.

Καλές θεάσεις ουρανίων τόξων…
…………………………………………………..
Με την πολύτιμη βοήθεια του kathimerinifysiki.gr


14947537_353689734982080_3393905405888051422_n

Ο Ευστράτιος Χρ. Γεωργουδής είναι απόφοιτος της Ιωνιδείου Προτύπου Σχολής Πειραιώς, πτυχιούχος Φυσικός και Διδάκτωρ της Σχολής Θετικών Επιστημών του Πανεπιστημίου Πατρών.

Διδάσκει σε μαθητές Γυμνασίου και Λυκείου, ασχολείται με τα κοινά μέσω της ΟΙΕΛΕ και δραστηριοποιείται σε θέματα εκλαΐκευσης της Επιστήμης.

Τα τελευταία χρόνια κατάλαβε ότι ένας έρωτας νέος τον «κατέκτησε», ονομάζεται Κωνσταντινούπολη, και σε τακτά χρονικά διαστήματα παρουσιάζει προχωρημένα θέματα Φυσικής στους εκεί μαθητές της Ομογένειας


Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out /  Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  Change )

w

Connecting to %s

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.