Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →
Zajmijmy się znaną wszystkim tęczą. Jej piękno, nieuchwytność i brak wytłumaczenia sprawiły, że w wielu mitologiach odgrywa ona ważną rolę. W Biblii tęcza jest znakiem pojednania Boga z ludźmi, jaki Noe otrzymał po potopie. W bajkach irlandzkich na końcu tęczy (w miejscu, do którego nie da się dotrzeć) schowany miał być garnek ze złotem. W mitologii chińskiej tęcza była pęknięciem w niebie. Według greckiego mitu to posłanka bogów, Iris, została zamieniona w tęczę.
Oczami orła i rysia
Pierwsze próby wyjaśnienia tego zjawiska podejmował perski astronom Qutb al-Din al-Shirazi (1236-1311). O tęczy pisał w 1268 r., w swym "Opus majus", Roger Bacon. Dopiero jednak Kartezjusz w 1637 r. podał poprawne wyjaśnienie zjawiska tęczy. Pomogły mu w tym eksperymenty, jakie przeprowadzał oświetlając wypełnione wodą szklane kule. Zauważył, że w pewnych kierunkach światło ulega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu imitującej kroplę deszczu bani z wodą. To zjawisko, które zna każdy z nas. Możemy łatwo zobaczyć dno stawu czy jeziora, jeśli patrzymy w kierunku prawie prostopadłym do powierzchni wody - światło przechodzi wtedy przez granicę dwóch ośrodków (wody i powietrza). Jeśli patrzymy dalej - w kierunku bardziej poziomym, to nie widzimy tego, co w wodzie, lecz jedynie odbite od powierzchni wody światło nieba. Promienie z głębi stawu pozostają w wodzie, odbite do wewnątrz stawu na granicy wody i powietrza. Dzięki swym eksperymentom Kartezjusz poprawnie wyjaśnił, dlaczego tęcza zawsze ma taki sam promień, odpowiadający kątowi około 42 stopni. Ten sam filozof wyjaśnił też zjawisko tęczy wtórnej, znacznie słabszej, powstającej zawsze powyżej tęczy pierwotnej i o odwróconym porządku kolorów (czerwony wewnątrz łuku, niebieski na zewnątrz). To efekt dwukrotnego wewnętrznego odbicia promieni słonecznych w kropelkach wody. Rozmiary tęczy wtórnej wynoszą około 51 stopni.
Dlaczego jednak nie widzimy trzeciego łuku tęczy, powstającego w wyniku trzykrotnego wewnętrznego odbicia? Dokładne rachunki, potwierdzające wyniki Kartezjusza dla tęczy pierwotnej i wtórnej, przeprowadził Izaak Newton. Jemu też zawdzięczamy wyjaśnienie kolorów tęczy. W swym dziele pt. "Optics" (1730 r.) napisał: "Światło przechodzące przez krople deszczu po dwóch załamaniach i trzech lub więcej odbiciach rzadko jest dostatecznie mocne, aby stworzyć dostrzegalny łuk". Wielki szwajcarski matematyk i fizyk Johann Bernoulli (1710-90) sugerował, że "trzeci łuk może być widziany przez orły i rysie, ale nie przez ludzi". Dopiero angielski matematyk i astronom, Edmund Halley (1656-1742), sławny dzięki badaniom komety noszącej dziś jego imię, przeprowadził do końca obliczenia dla "trzeciej tęczy". Wynik okazał się zaskakujący. Halley wykazał, że trzecia tęcza ma promień 40 stopni i 20 minut, ale że powinna się pojawiać nie po przeciwnej Słońcu stronie nieba, lecz jako okrąg wokół Słońca. Ponieważ niebo w tym kierunku jest zbyt jasne, tej tęczy nie widzimy. Nie widzimy też tęczy czwartego rzędu, która jest okręgiem wokół Słońca o promieniu 46 stopni. Dopiero tęcza piątego rzędu znowu jest po przeciwnej Słońcu stronie nieba. Po pięciu wewnętrznych odbiciach światło może jednak być zbyt słabe nawet dla oczu orła czy rysia.
Badania nad tęczą nie skończyły się w XVIII wieku. W 1976 r. w poważnym piśmie naukowym "American Journal of Physics" amerykański fizyk Jearl D. Walker opublikował wyniki doświadczeń laboratoryjnych, będących nowoczesną wersją eksperymentów Kartezjusza. Oświetlając krople wody wiązką laserową, udało mu się zaobserwować tęcze aż do trzynastego rzędu. Ich rozmiary kątowe były zgodne z oczekiwanymi pochodzącymi z teorii Kartezjusza.
Biała albo czerwona
Na tym nie koniec niezwykłych zjawisk związanych z tęczą. Wprawdzie rzadko, ale obserwuje się cienkie, położone blisko tęczy pierwszego rzędu czy tęczy wtórnej, zwykle czerwone, wielokrotne łuki nieodpowiadające teorii Kartezjusza. Tych łuków nie da się wyjaśnić w ramach optyki geometrycznej i korpuskularnej teorii światła Newtona (zakładającej, że światło jest strumieniem cząstek). Powstają one dlatego, że światło jest falą i podlega zjawisku interferencji, czyli wzmacniania grzbietów nakładających się na siebie fal w pewnych kierunkach, i wytłumienia nakładających się fal w innych kierunkach. Do wyjaśnienia pochodzenia tych łuków także przyczynili się wielcy fizycy, matematycy i astronomowie, tacy jak m.in. Thomas Young (1773-1829) i George Airy (1801-92).
Dociekliwemu czytelnikowi, który przy pomocy prostych przyrządów chciałby sam zmierzyć kątowe rozmiary łuku tęczy, należy się dodatkowe wyjaśnienie. Łuk ten nie zawsze ma podane wyżej rozmiary. Doświadczenia Kartezjusza oraz obliczenia Newtona i innych były oparte na założeniu, że krople wody mają kulisty kształt. I to prawda w przypadku małych kropli deszczu. Napięcie powierzchniowe wody sprawia, że krople są kulkami. Jednak w przypadku dużych kropli, w wyniku oporu powietrza, ich kształt może znacznie odbiegać od kulistego. Rozważania geometryczne w takim przypadku zmieniają się i tęcza może mieć inne rozmiary kątowe niż zazwyczaj.
Jeśli uda nam się zobaczyć tęczę tuż przed zachodem Słońca lub tuż po nim, to może ona być... tylko czerwona! Dzieje się tak dlatego, że promienie słoneczne przebywają wtedy o wiele dłuższą drogę w atmosferze niż we wcześniejszych porach dnia. Po drodze, ze światła słonecznego, będącego mieszaniną "wszystkich barw tęczy", usuwane są barwy odpowiadające krótszym falom i pozostaje w nim tylko składowa czerwona. (Takie rozpraszanie jest właśnie odpowiedzialne za niebieski kolor nieba). Do kropelek deszczu, w których powstaje tęcza, dociera więc niemal wyłącznie światło czerwone i tylko ono jest w nich załamywane. W tęczy widzimy tylko tę jedną barwę.
Tęczę można też zobaczyć w nocy i wcale nie trzeba do tego oczu orła czy rysia. Tęcza nocna powstaje w taki sam sposób jak słoneczna, tyle że wywoływana jest światłem odbitym od powierzchni Księżyca. Dlatego największe szanse na jej zauważenie mamy w te noce, w czasie których Księżyc jest w pełni. Ponieważ jednak jest ona znacznie słabsza niż w dzień, a nasze oczy przy słabym oświetleniu słabiej rozpoznają kolory, nocna tęcza wydaje nam się... biała.
Duch w glorii
Falowe własności światła i związane z nimi zjawisko dyfrakcji (uginania fali na krawędzi przeszkody) prowadzi do innego niezwykłego zjawiska, zwanego widmem Brockenu. Brocken to najwyższy szczyt w górach Hartz (1142 m n.p.m.) w środkowych Niemczech, związany z legendami o nocy Walpurgii, wspominany przez Goethego w "Fauście". Z powodów klimatycznych zjawisko, o którym mowa, występuje tam często. Powstaje ono wtedy, gdy znajdziemy się na szczycie, nad nami świeci Słońce, a poniżej szczytu rozlane jest morze chmur. Może się wtedy zdarzyć, że na powierzchni białych chmur zobaczymy gigantycznych rozmiarów potwora o trapezowatym (prawie trójkątnym) kształcie. To nasz cień rzucony przez słońce na chmury. Niezwykły kształt to geometryczny efekt rzutowania. Ten sam efekt związany jest z perspektywą w malarstwie, pozornym zbieganiem się do jednego punktu szyn kolejowych, pomiędzy którymi staniemy, czy pozornym zbieganiem się gdzieś niedaleko promieni Słońca przedzierających się przez dziury w chmurach. Jeśli uda nam się zobaczyć widmo Brockenu, przekonamy się, że jeśli będziemy się poruszać, machać ręką czy chodzić, ten przerażający "duch" na chmurach też się porusza. Nie ma wątpliwości, że to my! Tyle że wokół naszej głowy może pojawić się tęczowa gloria. Powstaje ona w wyniku dyfrakcji fali świetlnej na naszej głowie. Taka dyfrakcja ma miejsce na co dzień, wszędzie wokół nas. Dyfrakcja fali dźwiękowej sprawia, że słyszymy nadjeżdżający zza rogu kamienicy pojazd. Podobnie ze światłem: możemy się o tym przekonać, przybliżając do siebie opuszki kciuka i palca wskazującego, tak by powstała wąziutka szczelina, i patrząc przez tę szczelinę np. na okno. Zobaczymy pomiędzy palcami ciemną kreseczkę. To efekt dyfrakcji światła na brzegach naszych palców i nakładania się ugiętych fal. Tyle że w życiu codziennym, ze względu na małe odległości i małą długość fal światła, zwykle efektów dyfrakcji światła nie dostrzegamy. W opisanej sytuacji w górach "ekran" (warstwa chmur) jest tak daleko, że wyraźnie wydać, iż barwy odpowiadające różnym długościom fal padają nań w różnych miejscach - powstaje kolorowa gloria. Całość wygląda upiornie. Nic dziwnego, że jeden z pionierów polskiego alpinizmu, publicysta Jan Alfred Szczepański (1902-91), wymyślił w 1925 r., a potem skutecznie spopularyzował przesąd, że ten, kto zobaczy widmo Brockenu, umrze w górach.
Ja sam widziałem to widmo pierwszy raz w dzieciństwie, ze szczytu Babiej Góry, potem na Kozim Wierchu. Na szczęście, zdążyłem je jeszcze zobaczyć z samolotu (cień samolotu, którym leciałem, otoczony wspaniałą kolorową glorią). Jan Szczepański dodał do wymyślonego przesądu zapewnienie, że kto zobaczy widmo Brockenu trzy razy, temu w górach już nigdy nic nie zagrozi.
STANISŁAW BAJTLIK (ur. 1955 r.) jest astrofizykiem, zajmuje się kosmologią, pracuje w Centrum Astronomicznym im. Mikołaja Kopernika PAN w Warszawie. W "Książkach w Tygodniku" prowadzi rubrykę "Wiem, że wiem".
