رنگين كمان

يكي از باشكوه ترين شاهكارهاي طبيعت، رنگين كمان است كه نمايشي از پاشندگي نور سفيد مي باشد. نشان مي دهد كه نور مرئي از طيف هاي رنگي با طول موج هاي متفاوت تشكيل شده اند. براي ديدن رنگين كمان مي بايستي پشت به خورشيد و با زاويه ي تقريباً 40 درجه نسبت به زمين به جوي كه شامل قطرات معلق آب مي باشد، نظاره كنيد. هر يك ازقطرات آب مثل منشور باعث پاشندگي نور سفيد مي شوند كه به چشم شما مي رسد.

قطرات آب چگونه سبب پاشندگي نور و بازتابش مي شوند و چرا الگوي رنگين كمان از بالا به پايين ظاهر مي شود. در اين درس به اين سؤالات پاسخ مي دهيم. در درس هاي قبلي با مفاهيمي نظير شكست، بازتابش داخلي و پاشندگي آشنا شديد.

مسير نور در يك قطره

قطرات معلق آب در جو؛ شكست دهنده ي نور هستند. چگالي نوري آب بيشتر از هوا مي باشد. امواج نور هنگام گذر از مرز ميان دو محيط مي شكنند. سرعت نور در آب كاهش مي يابد و هنگام ورود به قطره مسير نور خميده مي شود و به خط عمود نزديك مي شود. هنگام خروج از قطره ي آب، سرعت نور افزايش يافته و مسير نور منحرف شده و از خط عمود دور مي شود.

پرتو هاي نور زيادي با زواياي مختلف و در مسير هاي متفاوت داخل قطره آب مي شوند. يكي از مسيرهاي مهم كه در رنگين كمان اهميت دارد، مسيري است كه در آن براي نور پس از وارد شدن به قطره، رويداد بازتابش داخلي كلي رخ مي دهد.  كه در شكل سمت چپ مشاهده مي شود. در اين شكل، نور دو بار شكسته شده و يك بار بازتاب داخلي كلي مي كند. در اين مراحل، نور پاشيده شده و به چشم ناظري كه در سطح زميني قرار دارد، خميده مي شود.

ممكن است راه هاي ديگري براي مسير نور وجود داشته باشد كه به مسيرهاي مشابه منجر شود، در برخي مواقع ممكن است نور بدون بازتاب داخلي از سمت ديگر قطره و فقط با دو شكست از قطره ي آب خارج شود. براي نقطه ورودي نور كه در شكل ديده مي شود، غلظت بهينه اي از نور وجود دارد كه قطرات را در هوا نسبت به زمين تحت زاويه مشخصي نگه مي دارد. طول موج هاي كوتاه نور مثل آبي و بنفش نسبت به طول موج هاي بلند نور مثل قرمز، بيشتر دچار شكست شده و از آنجا كه مرز ها به موازات هم قرار نگرفته اند، پس اين شكست دو گانه جدايي – قابل تشخيص رنگ هاي نور خورشيد به طيف هاي سازنده اش را موجب مي شود.

براي نور قرمز، زاويه ي انحراف، بين پرتو هاي نور ورودي خورشيد و پرتوهاي شكست به سمت چشم ناظر تقريباً 42 درجه است. چون طول موج نور آبي بيشتر از طول موج نور قرمز است. زاويه ي انحرافش نسبت به پرتوهاي اوليه نور خورشيد 40 درجه مي باشد. لذا نور قرمز با انحراف بيشتري نسبت به نور فرودي به چشم ناظر مي رسد. شايان ذكر است كه مسيرهاي زيادي براي نور خورشيد وجود دارد، اما مسير ذكر شده بالا در تشكيل رنگين كمان و مشاهده ي آن توسط ناظر روي زمين از اهميت خاصي برخوردار است. اين مسيرها به محل خورشيد و مسير پرتو نور خورشيد فرود آمده به قطره ي آب بستگي دارد.

تشكيل رنگين كمان

رنگين كمان اكثر اوقات به صورت يك قوس دايره اي در آسمان مشاهده مي شود؛ ناظر روي زمين قوسي از دايره را مشاهده مي كند كه بالاترين رنگ آن قرمز است.

اگر شما رنگين كمان را از داخل هواپيما مشاهده كرده باشيد، متوجه خواهيد شد كه رنگين كمان دايره ي كاملي است كه ناظران روي زمين تنها قسمتي از نيم دايره ي بالايي را مشاهده مي كنند، قسمت پاييني نيم دايره به علت وجود زميني غير قابل مشاهده است. (قطرات معلق آب، زير زميني وجود ندارند، با اين حال ناظران درهواپيما قوس بالا و پايين رنگين كمان را به طور كامل مي توانند مشاهده كنند.)

علت دايره اي بودن رنگين كمان اين است كه مجموعه اي از قطرات معلق موجود در جو كه مي توانند زاويه ي انحراف 40 تا 42 درجه را نسبت به مسير اوليه نور خورشيد ايجاد نمايند، روي قوس دايره اي شكلي قرار مي گيرند. هر يك از قطرات آب روي قوس دايره اي رنگين كمان، نور سفيد خورشيد را شكست داده و مي پاشند.

همان طور كه در بالا ذكر شده، نور قرمز نسبت به نور آبي با زاويه بزرگتري انحراف مي يابد و به زميني مي رسد. پس وقتي زاويه ي ديد ناظر نسبت به زميني بيشتر باشد، قطرات آب در اين راستا، نور قرمز را به سمت چشم ناظرشكست مي دهند.نور آبي هم از همين قطرات با زاويه ي انحراف كمتري از بالاي سر ناظر مي گذرند. لذا وقتي شيب زاويه ي ديد نسبت به زميني بيشتر باشد، نور قرمز توسط ناظر مشاهد خواهد شد. بطور مشابه اگر اندازه زاويه ديد كمتر باشد، قطرات آب در اين راستاي ديد ناظر، نور آبي را به چشم ناظر مي رسانند و نور قرمز با زاويه ي انحراف بزرگتر به پاهاي ناظر مي رسند. به همين دليل است كه نور قرمز در بالاترين قسمت قوس رنگين كمان و نور آبي در قسمت پايين رنگين كمان مشاهده مي شود.

تشكيل رنگين كمان فقط به پاشندگي نور توسط قطرات باران محدود نمي شود. ريزش پر فشار آب از يك آبشار قطرات ريز آب را به وجود مي آورد كه مي توانند رنگين كمان تشكيل دهد. آب پاش ها هم مي توانند توليد كننده ي قطرات ريز آب و در نتيجه تشكيل رنگين كمان باشند. نور خورشيد، قطرات معلق آب و زاويه ي ديد مناسب، سه عامل اصلي تشكيل رنگين كمان مي باشند.