Kaip susiformuoja vaivorykštė: kas iš tikrųjų nutinka saulės šviesai krintant į lietaus lašus

Vaivorykštė dažnai atrodo tarsi magiškas reiškinys, išnyrantis po liūties. Tačiau už šio spalvoto lanko slypi gana tiksliai suprantama fizika, padedanti geriau suvokti, kaip elgiasi šviesa ir vanduo.

Nors vaivorykštes esame matę daugybę kartų, daug žmonių ne iki galo žino, kodėl jos visada sudaro lanką, kodėl spalvos išsidėsčiusios tam tikra tvarka ir kodėl kartais matyti net dvi vaivorykštės. Į šiuos klausimus atsako optikos mokslas.

Saulės šviesa nėra balta: kaip atsiranda spalvos

Iš pirmo žvilgsnio atrodo, kad saulės šviesa yra balta. Tačiau tai tik mūsų regos sistemos interpretacija: iš tiesų ji sudaryta iš daugybės skirtingo bangos ilgio spindulių, kuriuos suvokiame kaip skirtingas spalvas.

Klasikinė spalvų gama, kurią dažniausiai įsivaizduojame žiūrėdami į vaivorykštę, yra raudona, oranžinė, geltona, žalia, melsvai žalia, mėlyna ir violetinė. Fiziškai šios spalvos skiriasi tuo, kokio ilgio yra šviesos bangos: nuo ilgiausių (raudona) iki trumpiausių (violetinė).

Kas nutinka, kai šviesa patenka į vandens lašą

Vaivorykštė atsiranda tada, kai saulės šviesa patenka į ore kabančius vandens lašelius, kuriuos sudaro lietus, dulksna ar net krioklio purslai. Čia svarbūs trys procesai: lūžis, sklaida ir atspindys.

Pirmiausia šviesa iš oro patenka į vandenį ir šiek tiek pasilenkia, nes skirtingoje terpėje sklinda kitokiu greičiu. Šis krypties pasikeitimas vadinamas lūžiu. Kadangi skirtingų spalvų šviesos bangos vandenyje lūžta skirtingai, jos išsisklaido į spalvas.

Vienas lašelis kaip mažytis prizmas

Vandens lašą galima įsivaizduoti kaip smulkią, beveik tobulą sferą, atliekančią prizmės funkciją. Pirmojo lūžio metu šviesa išsiskaido, tuomet dalis jos atsispindi nuo vidinio lašo paviršiaus ir dar kartą nulūžta išeidama atgal į orą.

Dėl tokios kelionės per lašą iš jo į mūsų akis pasiekia tik tam tikro kampo šviesa. Būtent šis kampas nulemia, kokią spalvą matome iš konkretaus lašo: vienas lašelis mums gali atsiųsti tik vieną dominuojančią vaivorykštės spalvą.

Kodėl matome lanką, o ne visą ratą

Statistiškai daugiausia šviesos iš lašo išeina maždaug 42 laipsnių kampu raudonai spalvai ir mažesniu kampu violetinei. Tai reiškia, kad visus lašus, iš kurių į mūsų akis atkeliauja raudona šviesa, sieja vienodas geometrinis ryšys su saule ir stebėtoju.

Stebėtojo galvoje galima įsivaizduoti tašką, iš kurio į apačią eina linija link jo šešėlio. Aplink šią ašį susiformuoja „spalvų kūgis“: tam tikru kampu nuo šios ašies matomi atitinkamos spalvos lašai. Ant dangaus projekcijos šis kūgis matomas kaip lankas.

Vaivorykštė visada susijusi su stebėtoju

Įdomu tai, kad kiekvienas žmogus mato savo vaivorykštę. Nors atrodo, kad stebime tą patį reiškinį, į kiekvieno akis šviesa atkeliauja iš visai kitų vandens lašelių.

Dėl šios priežasties vaivorykštė neturi „fizinės“ vietos danguje, į kurią būtų galima nueiti. Ji priklauso nuo konkrečios stebėtojo, lietaus lašų ir saulės padėties kombinacijos, todėl „puodo su auksu“ prie vaivorykštės galo pasiekti neįmanoma ir teoriškai.

Kaip atsiranda antrinė ir blanki antroji vaivorykštė

Kartais virš ryškios vaivorykštės matyti antra, silpnesnė spalvota juosta. Tai vadinama antrine vaivorykšte. Ji susidaro tada, kai šviesa lietaus laše atsispindi ne vieną, o du kartus, prieš išeidama atgal į orą.

Dėl papildomo atspindžio daugiau šviesos prarandama, todėl antroji vaivorykštė yra gerokai blankesnė. Be to, jos spalvų tvarka atvirkštinė: viršuje matoma violetinė, o apačioje raudona. Tarp dviejų lankų dažniausiai lieka tamsesnis dangaus ruožas.

Kokios sąlygos palankiausios vaivorykštei pamatyti

Vaivorykštė geriausiai matoma tada, kai saulė yra palyginti žemai virš horizonto, o priešais, maždaug priešingoje pusėje, lyja ar tvyro vandens lašų debesys. Stebėtojas visada stovi atsukęs nugarą saulei.

Ryto ir vakaro metu reikiamas kampas išgaunamas lengviausiai, todėl didžioji dalis įspūdingų vaivorykščių užfiksuojama būtent tada. Jei saulė pakyla per aukštai, pagrindinis lankas nusileidžia žemiau horizonto ir gali tapti tiesiog nematomas.

Kodėl kriokliai ir fontanai taip pat „kuria“ vaivorykštes

Vaivorykštė nebūtinai turi būti susijusi su lietumi. Tokį pat reiškinį galima pamatyti šalia krioklių, fontanų ar net stipraus sodo laistymo purkštuvų, jei tik vandens lašeliai ore yra pakankamai smulkūs ir tolygiai pasklidę.

Principas tas pats: saulės šviesa lūžta, sklaidosi ir atsispindi smulkiuose lašeliuose. Todėl, norint išgauti „mini vaivorykštę“, kartais užtenka saulėtą dieną tinkamu kampu atsukti sodo žarną.

Vaivorykštės moksle ir technologijose

Vaivorykštės principas panašus į kitus reiškinius, kur šviesa skaidoma į sudedamąsias dalis. Spektroskopija, kai šviesa išskaidoma į spektrą ir analizuojama, plačiai taikoma astronomijoje, chemijoje ir medžiagų moksle.

Tyrinėdami, kokius „spalvų parašus“ skleidžia įvairios medžiagos ar žvaigždės, mokslininkai gali nustatyti jų cheminę sudėtį ir temperatūrą. Taigi spalvų išskyrimas, kurį kasdieniame gyvenime matome kaip vaivorykštę, moksle tampa galingu matavimo įrankiu.

Kasdienė optika: kaip šis žinojimas praverčia

Vaivorykštės supratimas padeda geriau suvokti ir kitus optinius efektus, pavyzdžiui, šviesos lūžimą stikle, refrakciją akinių lęšiuose ar šviesos kelią optiniuose kabeliuose. Visi jie remiasi panašiais šviesos ir medžiagos sąveikos principais.

Žinodami, kokių sąlygų reikia vaivorykštei, galime sąmoningai jas „gaudyti“ ir fotografuoti, o kartu geriau suprasti, kaip šviesa formuoja mūsų matomą pasaulį. Tai priminimas, kad daugelis reginių danguje yra ne tik gražūs, bet ir moksliškai paaiškinami.