Tęcza powstaje, gdy światło słoneczne załamuje się, rozszczepia na barwy i odbija wewnątrz kropelek wody. Poszczególne kolory wychodzą z kropli w nieco innych kierunkach, dlatego widzimy kolorowy łuk. Zwykle trzeba mieć Słońce za plecami, a krople deszczu przed sobą.
Deszcz jeszcze nie skończył padać, ale trawa już błyszczy w słońcu. Nagle nad domami pojawia się kolorowy łuk. „Pobiegnijmy tam, gdzie dotyka ziemi!” — proponuje dziecko. Zbyszek Galareciak robi kilka kroków, po czym zerka do notesu. Koniec tęczy wcale nie czeka przy wskazanym drzewie. Coś tu nie pasuje do zwykłego kolorowego mostu.
To dobry moment na małe śledztwo. Tęcza jest prawdziwa: światło rzeczywiście dociera do oczu. Nie jest jednak przedmiotem zawieszonym nad ulicą. Jej wygląd zależy od tego, gdzie stoi obserwator, gdzie są krople i skąd pada światło. Zamiast szukać miejsca do zaparkowania przy jej końcu, sprawdźmy, co dzieje się w pojedynczej kropli.
Okiem Naukowca
Białe światło ma w sobie wiele barw
Światło słoneczne wydaje się prawie białe, ale zawiera wiele barw. Czerwień, zieleń czy fiolet nie muszą zostać dodane do niego przez chmurę. Już są częścią światła, które do nas dociera. W odpowiednich warunkach można je rozdzielić i zobaczyć osobno.
Wyobraźcie sobie grupę biegaczy, którzy początkowo biegną razem, a potem skręcają pod nieco różnymi kątami. Po chwili nie tworzą już jednej zwartej grupy. To analogia do rozdzielania barw, nie opis maleńkich kolorowych ludzików w promieniu. Woda zmienia kierunek rozchodzenia się światła, a poszczególne barwy reagują trochę inaczej.
Zmianę kierunku przy przejściu między powietrzem a wodą nazywamy załamaniem światła. Rozdzielenie barw to rozszczepienie. Można spotkać także słowo „dyspersja”. Dziecku wystarczy na początek zdanie: „Woda rozdziela światło na kolory, ponieważ nie wszystkie kolory skręcają tak samo”. Zintegrowana Platforma Edukacyjna omawia rozszczepienie światła w wyjaśnieniu tęczy.
Co światło robi wewnątrz kropli?
Światło wpada do kropli i zmienia kierunek. Część odbija się od jej wewnętrznej powierzchni. Gdy wychodzi ponownie do powietrza, znowu ulega załamaniu. Po tej drodze różne barwy mogą dotrzeć do obserwatora z nieco różnych kierunków. Właśnie dlatego obok siebie pojawiają się kolorowe pasma.
W tęczy głównej czerwień widzimy na zewnętrznej stronie łuku, a fiolet na wewnętrznej. Między nimi barwy przechodzą płynnie jedna w drugą. Popularne siedem kolorów to wygodny sposób ich nazywania. Przyroda nie narysowała siedmiu równych pasków z ostrymi granicami ani nie policzyła kredek w piórniku.
Jedna kropla nie wysyła do danego oka całej wielkiej tęczy. Widziany łuk powstaje dzięki światłu docierającemu z wielu kropli znajdujących się w odpowiednich kierunkach. Gdy przesuwacie głowę lub idziecie przed siebie, zmienia się zestaw kropli dostarczających wam ten widok. Dlatego tęcza nie jest stałym obiektem przypiętym do krajobrazu.
Dlaczego widzimy łuk, a czasem dwie tęcze?
Krople rozsyłają światło pod określonymi kątami względem kierunku światła słonecznego. Dla obserwatora odpowiednie kierunki układają się w okrąg wokół punktu przeciwnego do Słońca. Z poziomu ziemi znaczną część tego okręgu zwykle zasłania teren, dlatego widzimy łuk. W odpowiednich warunkach, na przykład wysoko nad ziemią, można zobaczyć większą część koła.
Czasem ponad główną tęczą pojawia się druga, słabsza. Powstaje wskutek dwóch odbić światła wewnątrz kropli. Ma odwróconą kolejność barw: czerwony pas leży od strony wewnętrznej tego drugiego łuku. Nie jest odbiciem tęczy w niewidzialnym lustrze nad chmurami. Met Office opisuje geometrię tęczy oraz tęczę wtórną.
Łatwiej dostrzec tęczę, kiedy Słońce znajduje się stosunkowo nisko. Dlatego po porannym lub popołudniowym deszczu warto spojrzeć w stronę przeciwną do niego. Nie patrzcie bezpośrednio na Słońce. Do znalezienia łuku wystarczy kierunek własnego cienia i obecność oświetlonych kropli przed obserwatorem.
Dwie osoby stojące obok siebie nie oglądają tęczy z dokładnie tego samego zestawu kropli. „Czyli każdy ma własne miejsce na widowni i trochę własną tęczę!” — cieszy się Zbyszek. Obie osoby obserwują ten sam rodzaj zjawiska, ale z innego punktu.
Kolory ukryte w świetle
Czas: około 5 minut, gdy do okna dociera słońce. Przygotujcie przezroczystą szklankę z gładkimi ściankami, wodę, biały arkusz papieru i tacę. Szklankę ustawia dorosły. Nie używajcie lasera i nie kierujcie światła w oczy.
- Napełnijcie szklankę mniej więcej do trzech czwartych wodą i postawcie ją stabilnie na tacy przy nasłonecznionym oknie.
- Połóżcie biały papier tak, aby padało na niego światło, które przeszło przez szklankę.
- Powoli przesuwajcie kartkę i obracajcie szklankę. Szukajcie w jasnej plamie wąskich kolorowych obszarów.
- Jeśli nie ma efektu, zmieńcie wysokość kartki lub położenie całego zestawu. Nie przechylajcie naczynia nad elektroniką ani nad krawędzią stołu.
- Gdy zobaczycie barwy, zaznaczcie na osobnej kartce ich kolejność. Sprawdźcie, czy po przesunięciu papieru układ się zmienia.
Nie każda szklanka daje równie wyraźny efekt. Znaczenie mają kształt szkła, kąt padania światła i jasność otoczenia. W pochmurny dzień lepiej wrócić do próby później, niż uznać brak barw za dowód, że białe światło ich nie zawiera. Podobny pomysł przedstawia aktywność edukacyjna Met Office „I can make a rainbow”.
Co pokazuje próba? Przejście światła przez szkło i wodę może ujawnić jego barwy. Czego nie odtwarza? Pełnej geometrii tęczy powstającej w kulistych kroplach. Kolorowa plama na kartce jest modelem rozszczepienia, a nie miniaturowym łukiem deszczowym o identycznej drodze promieni.
Zabawa w tropicieli tęczy
Podczas spaceru po deszczu znajdźcie własny cień i sprawdźcie, gdzie jest wilgotne powietrze. Poproście dziecko o przewidywanie: „W którą stronę mamy spojrzeć?”. Potem porównajcie pomysł z obserwacją. Nawet jeśli łuku nie widać, możecie rozważyć brakujące warunki: czy są krople, czy świeci Słońce i czy stoicie po właściwej stronie.
W domu narysujcie dwie sceny. W pierwszej dziecko patrzy na deszcz, a Słońce ma za plecami. W drugiej patrzy w stronę Słońca. Wskażcie, która scena pasuje do zwykłej tęczy. To pomaga bardziej niż samo zapamiętanie nazw barw, ponieważ łączy miejsce obserwatora z tym, co może zobaczyć.
Można też porównać kolorowy łuk z namalowanym obrazkiem. Obrazek da się dotknąć i przesunąć razem z kartką. Tęcza zmienia swój widok, gdy zmieniamy miejsce. Obie rzeczy są widoczne, lecz powstają w zupełnie inny sposób. Tak zaczyna się rozumienie różnicy między przedmiotem a zjawiskiem optycznym.
Czy kolorowe cukierki też tworzą tęczę?
Rozpuszczające się barwniki cukierków mogą ułożyć się na talerzu w piękny kolorowy wzór. To ciekawa obserwacja ruchu substancji w wodzie, ale nie wyjaśnia powstawania tęczy na niebie. W talerzu przemieszczają się barwniki. W kroplach deszczu rozdzielają się kierunki światła o różnych barwach. Podobny wygląd nie musi oznaczać podobnego mechanizmu.
Możecie pobawić się w dobieranie nazw: „kolorowy wzór z barwników” i „widmo światła”. Następnie zapytajcie, w którym pokazie potrzebne jest odpowiednie oświetlenie, a w którym źródłem kolorów są dodane substancje. Nie trzeba rezygnować z zabawnej nazwy „cukierkowa tęcza”, jeśli jasno wyjaśnimy, że jest porównaniem. Zbyszek może zachwycić się oboma obrazkami, ale w notesie powinien zapisać dwie różne przyczyny. Tak uczymy się nie tylko rozpoznawać kolory, lecz także szukać odpowiedzi na pytanie, dlaczego je widzimy.
FAQ — pytania dzieci o tęczę
Ile kolorów ma tęcza?
Tradycyjnie wyróżnia się siedem: czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski, indygo i fioletowy. W rzeczywistości barwy przechodzą płynnie jedna w drugą i nie mają ostrych granic.
Czy tęcza zawsze pojawia się po deszczu?
Nie. Potrzebne są oświetlone krople i właściwe ustawienie obserwatora. Tęczę można zauważyć także w rozprysku wody przy wodospadzie albo fontannie, nawet bez deszczu w całej okolicy.
Czy można dotknąć tęczy?
Nie można chwycić jej jak mostu czy wstążki. To widok światła docierającego z kropli. Można dotknąć wody, która uczestniczy w powstawaniu zjawiska, ale nie samego kolorowego łuku.
Dlaczego druga tęcza ma odwrotne kolory?
Światło tworzące tęczę wtórną odbija się wewnątrz kropli dwa razy. Inna droga promieni sprawia, że kolejność widocznych barw jest odwrócona względem tęczy głównej.
Jeszcze dwa pytania do nieba
Teraz sprawdźcie, skąd się bierze deszcz, który dostarcza kropli. Możecie też odkryć, dlaczego niebo jest niebieskie, choć światło słoneczne zawiera wiele kolorów.
Odwiedźcie kanał YouTube @KołoCiekawości, wybierzcie wspólnie kolejną przyrodniczą wyprawę i zabierzcie na nią jedno własne pytanie. Subskrypcja pomoże odnajdywać nowe filmy Zbyszka Galareciaka, a wspólne oglądanie daje czas na rozmowę o tym, co właśnie udało się odkryć.
