Ten artykuł dotyczy zjawiska meteorologicznego. Zapoznaj się również z: inne znaczenia tego słowa.

Tęcza w Wrangell-St. Elias National Park, Alaska

Podwójna tęcza

Tęcza we mgle wodnej powstałej przy wodospadzie Takakkaw Falls w Kanadzie

„Sztuczna” tęcza powstała na kroplach wody rozpryskiwanych przez jednostkę gaśniczą „Strażak”

Tęcza – zjawisko optyczne i meteorologiczne występujące w postaci charakterystycznego wielobarwnego łuku, widocznego gdy Słońce oświetla krople wody w ziemskiej atmosferze. Tęcza powstaje w wyniku rozszczepienia światła załamującego się i odbijającego się wewnątrz kropli wody (np. deszczu) o kształcie zbliżonym do kulistego.

Rozszczepienie światła jest wynikiem zjawiska dyspersji, powodującego różnice w kącie załamania światła o różnej długości fali przy przejściu z powietrza do wody i z wody do powietrza.

Światło widzialne (z antropocentrycznego punktu widzenia) jest widzialną (postrzegalną wzrokiem) częścią widma promieniowania elektromagnetycznego i w zależności od długości fali postrzegane jest w różnych barwach. Kiedy światło słoneczne przenika przez kropelki deszczu, woda rozprasza światło białe (mieszaninę fal o różnych długościach), na składowe o różnych długościach fal (różnych barwach), i oko ludzkie postrzega łuk składający się z sześciu kolorów: czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski i fioletowy. To są właśnie kolory tęczy.

Pomimo faktu, że w tęczy występuje niemal ciągłe widmo kolorów, tradycyjnie uznaje się, że kolorami tęczy są: czerwony (na zewnątrz łuku), pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski, indygo i fioletowy (wewnątrz łuku).

Najczęściej obserwowana jest tęcza główna, lecz mogą pojawić się także tęcze wtórne i następne oraz kilka zjawisk optycznych towarzyszących tęczy opisanych poniżej.

Tęcza pojawia się często w mitologii, religii, literaturze i sztuce. Tęczowa flaga stanowiła symbol masońskiego Zakonu Order of the Rainbow Girls (7 barw), a później również osób homoseksualnych (6 barw).

Wyjaśnienie naukowe

U góry po lewej (8) bieg promieni w kropli (1) tworzących tęczę wtórną (5), po prawej (7) tworzących tęczę pierwotną (3). (2) – wewnętrzne odbicie światła. (4) – rozszczepienie światła. (6) – promienie światła białego. (9) – obserwator. Rejon powstawania tęczy pierwotnej (10) i wtórnej (11). (12) – strefa kropel

Rozszczepienie światła białego w kropli

Efekt tęczy może być widoczny wszędzie, gdzie występują krople wody w powietrzu (12) oświetlane przez promienie słoneczne padające z tyłu obserwatora (9), a Słońce znajduje się na stosunkowo niewielkiej wysokości (kącie do poziomu mniejszym niż 40°). Warunkiem uzyskania wyraźnej tęczy jest oświetlenie kropel deszczu (chmury) przez równoległą wiązkę światła słonecznego oraz brak oświetlenia rozproszonego. Najbardziej widowiskowe tęcze można zaobserwować, gdy przed obserwatorem pada intensywny deszcz w odległości od 100 m do kilku kilometrów, jednocześnie chmura, z której pada deszcz, zaciemnia tło tęczy, a pozostała część nieba jest czysta.

Tęcza powstaje również przy wodospadach lub fontannach, dookoła których występują krople wody. Charakterystyczne efekty tęczowe mogą być też czasem zauważone przy podświetlonych chmurach, jako pionowe wstęgi przy odległych deszczach lub virgach, jak również mogą być „sztucznie” uzyskane poprzez rozpylanie kropel wody w powietrzu oświetlonym silnym jednokierunkowym białym światłem.

W specyficznych przypadkach możliwe jest również dostrzeżenie tęczy księżycowej, wywołanej światłem odbitym od Księżyca. Niemniej jednak, ponieważ rozdzielczość ludzkiego oka w warunkach małego naświetlenia nie jest zbyt dobra i człowiek nie widzi kolorów przy słabym oświetleniu, tęcza księżycowa jest postrzegana zazwyczaj jako biały (a nie kolorowy) łuk.

Tęcza główna

Białe światło słoneczne (6) będące mieszaniną fal o różnej długości (kolorze) wchodząc do kropli ulega załamaniu (4), kąt załamania zależy od długości fali świetlnej w wyniku czego dochodzi do rozszczepienia światła na barwne spektrum, następnie światło odbija się od przeciwległej strony kropli, a wychodząc powtórnie załamuje się, zwiększając rozszczepienie.

Kąt, pod jakim wychodzą promienie z kropli, zależy od miejsca padania światła na kroplę oraz od długości fali świetlnej. Przykładowo najsilniej załamywane światło fioletowe wychodzi pod kątem (w stosunku do promienia padającego) od zera do 40,6° z wyraźnym maksimum intensywności dla kąta 40,3°, światło czerwone załamywane w kącie do 42,3° z maksimum w 42,0°. Istnienie wyraźnych i wąskich maksimów w kątowym rozkładzie światła, spowodowanych zależnością współczynnika odbicia światła od kąta padania (patrz wzory Fresnela), jest główną, poza rozszczepieniem światła, przyczyną powstawania łuku tęczy. Kąty maksimów nie zależą bezpośrednio od wielkości kropel – zależą jednak od ich kształtu, współczynnika załamania światła.

Słona woda ma wyższy współczynnik załamania, co skutkuje mniejszym kątem widzenia łuku tęczy, co można zaobserwować oglądając tęczę powstającą częściowo na rozbryzgach fal morskich i na kroplach deszczu. Z uwagi na napięcie powierzchniowe krople są niemal kuliste, ale duże krople nie są kuliste, w wyniku czego także może ulec zmianie kąt widzenia łuku tęczy.

Światło wewnątrz kropli nie ulega całkowitemu odbiciu, ale częściowemu, przy czym światło o polaryzacji stycznej do promienia łuku tęczy odbija się intensywnie, a światło o polaryzacji prostopadłej słabo. W wyniku tego światło tęczy jest częściowo spolaryzowane liniowo w kierunku stycznym do promienia łuku tęczy (na szczycie łuku pionowo) (patrz kąt Brewstera). Łuk tęczy pierwotnej jest spolaryzowany w około 96%, tęczy wtórnej w około 90%.

Tęcza jako fenomen

Wszystkie oświetlone krople rozszczepiają i odbijają światło w ten sam sposób, ale do oka obserwatora dociera z danej kropli tylko światło rozproszone w jego kierunku. Te właśnie krople są postrzegane jako tworzące tęczę. Z fizycznego punktu widzenia tęcza nie istnieje tak jak przedmiot odbijający światło na danym fragmencie nieba, lecz jest rodzajem efektu optycznego, którego położenie jest związane z położeniem obserwatora i Słońca. W warunkach powstawania tęczy, obserwator, patrząc w kierunku tworzącym kąt 42° do promieni słonecznych, dostrzeże zawsze łuk tęczy o kolorze czerwonym, dlatego tęcza ma kształt łuku. Światło fioletowe będzie widziane na łuku o kącie widzenia 40,3° i dlatego w tęczy kolor fioletowy jest od środka, a czerwony na zewnątrz tęczy. Bez względu na odległość obserwatora od miejsca powstawania tęczy, jego położenia i innych warunków, jej promień jest widoczny pod kątem 40–42°. Słońce znajdujące się powyżej tego kąta nie wywoła tęczy, teoretycznie będzie ona powstawała poniżej linii horyzontu. Wyjątkiem jest sytuacja, gdy obserwator znajduje się na wzniesieniu, w budynku, samolocie lub w podobnej sytuacji, w której może obserwować krople poniżej oczu w zadanym kierunku, wówczas tęcza może stanowić nawet pełny okrąg.

Środek łuku tęczy znajduje się zawsze dokładnie na przedłużeniu promieni słonecznych, które przechodziłyby przez oczy obserwatora, czyli na linii cienia tworzonego przez obserwatora. Dla obserwatora znajdującego się na powierzchni ziemi ów środek łuku tęczy jest zawsze poniżej horyzontu, dlatego łuk tęczy stanowi mniej niż pół okręgu.

Nie tylko światło widzialne ulega załamaniu i odbiciu w kroplach wody. Dysponując odpowiednimi urządzeniami optycznymi, pozwalającymi rejestrować fale spoza zakresu widzialnego, można zaobserwować "podczerwony" łuk tęczy o promieniu większym niż łuk czerwony.

Tęcza wtórna i następne

Czasami można zaobserwować drugą (wtórną) mniej jasną tęczę, znajdującą się na zewnątrz tęczy właściwej. Tęcza wtórna tworzy łuk o kącie widzenia 50–53° i powstaje w wyniku dwukrotnego odbicia światła wewnątrz kropli wody. Ponieważ odbicie zachodzi dwukrotnie, a różnice w kącie rozproszenia światła w zależności od miejsca padania światła na kroplę są większe, tęcza wtórna jest mniej intensywna i szersza od tęczy pierwotnej.

Trzecia (potrójna) tęcza może być zaobserwowana, jeśli spełnione są odpowiednie warunki takie jak optymalny kąt i intensywność padania promieni słonecznych, dobra widoczność itp. W niektórych przypadkach możliwe jest również występowanie tęczy poczwórnych. Trzeci i czwarty łuk tęczy powstają po tej samej stronie nieba co Słońce, co czyni je trudnymi do dostrzeżenia z uwagi na intensywność światła samego Słońca, dodatkowo załamanego (bez odbicia) w kroplach wody. Pierwsze zdjęcia tęczy trzeciego i czwartego rzędu zostały wykonane dopiero w 2011 roku.

Tęcza zerowa

Światło wychodzące z tylnej części kropli powoduje powstawanie efektów świetlnych i zgodnie z numeracją efekty te powinny być nazywane przez fizyków tęczą zerową. Światło wychodząc z tyłu kropli też ulega załamaniu, ale pod mniejszym kątem i nie obserwuje się wyraźnego maksimum natężenia dla wybranej fali w jakimś kierunku. Kolory z różnych kropel ulegają ponownemu połączeniu i obserwator nie jest w stanie dostrzec efektu rozszczepienia.

Jaśniejszy obszar wewnątrz tęczy

Tęcza podwójna, ciemniejszy obszar pomiędzy nimi to pas Aleksandra

Promienie padające na krople bliżej środka, niż te tworzące maksimum jasności, ulegają załamaniu pod mniejszym kątem. W wyniku zmieszania światła o różnych barwach powstaje jaśniejszy obszar. Nie zawsze jest on biały, czasami powstają w nim opisane niżej tęcze wielokrotne. Na podobnej zasadzie jasny pas tworzy się na zewnątrz tęczy wtórnej, lecz jest on znacznie słabszy.

Pas Aleksandra

Ciemny fragment nieba leżący pomiędzy obydwiema tęczami jest określany mianem pasa Aleksandra, od imienia Aleksandra z Afrodyzji, który pierwszy opisał to zjawisko. Pociemnienie w tym pasie jest wywołane kontrastem z jaśniejszym obszarem tęczy pierwotnej i wtórnej oraz wnętrza tęczy pierwotnej. Różnice w jasności tych obszarów wynikają z różnic odbicia światła w różnych kierunkach.

Tęcze wielokrotne

Tęcza wielokrotna – dodatkowe „pulsacyjnie” zielono-fioletowe łuki wewnątrz tęczy pierwotnej (kontrast powiększono)

Tęcza pierwotna i wtórna, tęczę światła odbitego oraz odbicie tęczy w wodzie

Czasami występują przepiękne zjawiska tęczowe składające się z szeregu mniej widocznych łuków znajdujących się wewnątrz tęczy właściwej, a bardzo rzadko również i na zewnątrz łuku tęczy wtórnej. W łukach tych kolory są położone blisko siebie, tak że trudno w nich rozróżnić pełną gamę kolorów tęczy. Tęcze takie noszą nazwę wielokrotnych, a ich występowanie nie jest możliwe do wytłumaczenia przy użyciu optyki geometrycznej układu optycznego, jakim jest kropla wody.

Tęcze takie tworzą się w wyniku interferencji promieni światła załamanych pod mniejszym kątem, bo padły bliżej środka kropli, oraz promieni z maksimum, które uległy dyfrakcji (teoria Airy'ego). Gdy te dwa promienie po wyjściu z kropli będą w fazie fali, wzajemnie wzmocnią się (powstaną jaśniejsze kręgi), gdy fale będą miały przeciwne fazy, wytłumią się (kręgi ciemniejsze). Warunki fazowe zależą od długości fali, dlatego kręgi są kolorowe.

Tęcze wielokrotne są najlepiej widoczne, gdy krople są niewielkie i jednakowej wielkości. Sam fakt ich występowania był historycznie pierwszą wskazówką, że światło ma naturę falową, a pierwsze wyjaśnienie tego zjawiska zostało zaproponowane przez Thomasa Younga w 1804 roku.

Wcześniej wspomniano, że światło przechodzące przez kroplę bez odbicia nie tworzy tęczy, ale w wyniku dyfrakcji i interferencji światła, podobnie jak tęcze wielokrotne, powstają efekty kolorystyczne – kolorowe pierścienie wokół Słońca o kącie dochodzącym do 15°. Efekty te, zwane koroną słoneczną, czasami są mylone z powstającym na kryształkach lodu halo o kącie widzenia promienia 22° lub 46°.

Tęcza a odbicie światła

Jeszcze inne wariacje tęczy mogą być zaobserwowane dla przypadków, kiedy światło odbija się od lustra wody, zanim zostanie rozszczepione przez krople deszczu. Dochodzi wtedy do powstania tęczy „odbiciowej”. Z uwagi na zmianę kąta padania promieni słonecznych (od dołu w górę), środek łuku tęczy znajduje się na niebie, możliwe jest wówczas zaobserwowanie znacznie większej długości łuku niż przy zwykłych tęczach. Przy tęczach „odbiciowych” również możliwe jest wystąpienie pierwotnego i wtórnego łuku. Na zdjęciu obok tęcza odbiciowa, słabo widoczny prawie pionowy łuk w pasie Aleksandra.

Można również mówić o odbiciu tęczy (czy też tęczy odbitej), które występuje, gdy rozszczepione światło odbija się od lustra wody zanim dotrze do obserwatora. Odbicie tęczy nie jest odbiciem lustrzanym pierwotnego łuku, ale widoczne jest jako przesunięte o kąt zależny od pozycji Słońca, co jest widoczne na zdjęciu obok.

Dokładne rozwiązanie problemu powstawania tęczy

Teoria tęczy oparta na optyce geometrycznej (tzw. kartezjańska teoria tęczy) wykorzystująca do opisu rozpraszania światła na kroplach wody pojęcie promienia świetlnego, którego drogę określają prawa załamania i odbicia światła na granicy powietrze – kropla jest uproszczeniem, nie wyjaśniającym wszystkich aspektów tęczy. Dokładniejszy opis zjawiska rozpraszania światła na kulistych kroplach daje, znana od 1908 teoria zwana rozwiązania Mie. Rozwiązania Mie, na podstawie równań Maxwella, podają wzór na natężenie rozproszonego światła w postaci zbieżnego szeregu zależnego od długości fali świetlnej, kąta rozproszenia i wielkości kropel.