Vikerkaare teadus: valguse murdumise ja veepiiskade maagia avamine

Vikerkaared, need mööduvad värvikaared, mis ehivad taevast pärast vihmasadu, on inimkonda sajandeid paelunud. Need esinevad müütides ja legendides erinevates kultuurides, sümboliseerides lootust, head õnne ja jumalikke lubadusi. Kuid lisaks nende ilule ja sümboolsele tähendusele peitub nende taga põnev teaduslik selgitus, mis põhineb valguse ja vee füüsikal.

Vikerkaare tekke teadus: samm-sammuline ülevaade

Vikerkaare teke tugineb kolmele põhiprotsessile: murdumisele, peegeldumisele ja dispersioonile. Need protsessid toimuvad, kui päikesevalgus interakteerub atmosfääris hõljuvate veepiiskadega. Vaatame iga sammu lähemalt:

1. Murdumine: valguse paindumine

Murdumine on valguse paindumine, kui see liigub ühest keskkonnast teise. Vikerkaare puhul liigub päikesevalgus õhust veepiiska. Kuna vesi on õhust tihedam, aeglustub valguse kiirus, mis põhjustab selle paindumise ehk murdumise. Paindumise ulatus sõltub nurgast, mille all valgus piiska siseneb, ja valguse lainepikkusest (värvist).

Mõelge sellele kui poekäru lükkamisele siledalt pinnalt (õhk) vaibale (vesi). Vaibal olevad rattad aeglustuvad, mistõttu käru pöörab veidi. Valgus käitub sarnaselt, paindudes normaali (kujuteldav joon, mis on pinnaga risti) suunas, kui see siseneb veepiiska.

2. Peegeldumine: valguse tagasi põrkumine

Kui valgus on veepiisas, liigub see piisa tagumisele küljele ja peegeldub sisepinnalt tagasi. See peegeldus sarnaneb peegli toimimisega, mis põrgatab valguse tagasi suunas, kust see tuli. Kogu valgus ei peegeldu; osa väljub piisast, kuid peegeldunud valgus on vikerkaare efekti loomiseks ülioluline.

Peegeldumine toimub vee ja õhu murdumisnäitajate erinevuse tõttu. Kui valgus püüab veepiisast väljuda suure nurga all, toimub täielik sisepeegeldus, mis tähendab, et see peegeldub täielikult tagasi piiska.

3. Dispersioon: värvide eraldamine

Dispersioon on valge valguse eraldumine selle koostisosadeks olevateks värvideks. See juhtub seetõttu, et erineva lainepikkusega valgus (erinevad värvid) murdub veidi erinevate nurkade all. Punane valgus oma pikema lainepikkusega murdub kõige vähem, samas kui violetne valgus oma lühema lainepikkusega murdub kõige rohkem.

See värvide eraldumine on analoogne prisma toimimisega. Prisma murrab samuti valgust, eraldades valge valguse värvispektriks. Veepiisk toimib nagu miniatuurne prisma, hajutades päikesevalguse vikerkaarevärvideks.

Vikerkaare nurk: miks vikerkaared ilmuvad sinna, kus nad ilmuvad

Vikerkaared ilmuvad kindla nurga all vaatleja ja päikese suhtes. Vikerkaare kõige intensiivsemad värvid on nähtavad ligikaudu 42-kraadise nurga all päikesevalguse suuna suhtes. Selle nurga määravad vee murdumisnäitaja ning nurgad, mille all valgus veepiiskades murdub ja peegeldub.

Selle spetsiifilise nurga tõttu on vikerkaar alati nähtav päikese vastas. Kui päike on teie selja taga, ilmub vikerkaar teie ette. Mida kõrgemal on päike taevas, seda madalamal ilmub vikerkaar. Kui päike on horisondist kõrgemal kui 42 kraadi, ei ole vikerkaar maapinnalt nähtav, sest peegeldusnurk asetaks vikerkaare allapoole horisonti.

Vaatleja perspektiiv: isiklik vikerkaar

On oluline meeles pidada, et vikerkaar ei ole taevas paiknev fikseeritud objekt. See on optiline nähtus, mis sõltub vaatleja asukohast. Iga inimene näeb veidi erinevat vikerkaart, sest nende silmadesse jõudev valgus pärineb erinevatest veepiiskadest.

See seletab, miks te ei saa kunagi "jõuda vikerkaare lõppu". Kui te liigute, muutuvad ka need veepiisad, mis teie jaoks vikerkaare loovad, nii et vikerkaar paistab alati olevat samal kaugusel.

Vikerkaarte tüübid: tavapärasest kaugemale

Kuigi klassikaline vikerkaar on kõige sagedamini vaadeldav, on olemas ka mitmeid teisi vikerkaarte tüüpe, mis võivad tekkida spetsiifilistes atmosfääritingimustes:

Kaksikvikerkaared

Kaksikvikerkaarel on kaks selget värvikaart. Peamine vikerkaar on neist kahest heledam ja erksam, punane väljaspool ja violetne seespool. Sekundaarne vikerkaar, mis asub peamisest vikerkaarest väljaspool, on tuhmim ja selle värvid on vastupidised, violetne väljaspool ja punane seespool.

Sekundaarne vikerkaar tekib päikesevalguse kahekordsel peegeldumisel veepiiskade sees. See kahekordne peegeldus põhjustab värvide ümberpööramise ja vähendab ka valguse intensiivsust, muutes sekundaarse vikerkaare tuhmimaks.

Lisavikerkaared

Lisavikerkaared ilmuvad peamise vikerkaare siseküljele tuhmide pastellvärviliste ribadena. Need ribad on põhjustatud interferentsiefektidest valguslainete vahel, mis on läbinud veepiiskades veidi erinevaid teid.

Lisavikerkaari vaadeldakse kõige sagedamini siis, kui veepiisad on väikesed ja ühtlase suurusega. Nendes tingimustes on interferentsiefektid rohkem väljendunud, luues selged värviribad.

Udutaevakaared

Udutaevakaared, tuntud ka kui valged vikerkaared, sarnanevad tavaliste vikerkaartega, kuid need tekivad udupiiskadest, mitte vihmapiiskadest. Kuna udupiisad on vihmapiiskadest palju väiksemad, on udutaevakaare värvid väga tuhmid ja paistavad sageli valged või hõbedased.

Udutaevakaari vaadeldakse kõige sagedamini siis, kui vaadata päikese poole läbi õhukese udukihi. Neid nähakse sageli rannikualadel või mägistel aladel, kus udu on levinud.

Kuu-vikerkaared

Kuu-vikerkaared on vikerkaared, mis on tekkinud kuuvalgusest, mitte päikesevalgusest. Kuna kuuvalgus on päikesevalgusest palju nõrgem, on kuu-vikerkaared tavaliselt väga tuhmid ja raskesti nähtavad. Nad paistavad sageli valged või hõbedased, kuid pika säriajaga fotograafia abil saab nende värve jäädvustada.

Kuu-vikerkaari vaadeldakse kõige sagedamini täiskuu öödel ja pärast vihmasadu. Neid on tõenäolisem näha koskede või uduga aladel, kus õhus on palju vett.

Vikerkaared erinevates kultuurides ja mütoloogiates

Erinevates kultuurides ja läbi ajaloo on vikerkaartel olnud erinevaid tähendusi ja sümboolset tähtsust. Nad esindavad sageli sildu maailmade vahel, jumalikke õnnistusi ja lootuse lubadusi.

Kreeka mütoloogia: Vikerkaart kehastas Iris, jumalate sõnumitooja, kes ühendas taevast ja maad.
Põhjala mütoloogia: Bifröst, põlev vikerkaaresild, ühendas Midgardi (Maa) ja Asgardi (jumalate riik).
Iiri folkloor: Väidetavalt peidavad leprechaunid oma kullapoti vikerkaare lõppu.
Põlisrahvaste kultuurid: Paljud põlisrahvaste kultuurid peavad vikerkaart pühaks sümboliks, mis esindab ühendust, muutumist ja tervenemist.
Kristlus: Vikerkaar sümboliseerib Jumala lubadust mitte kunagi enam hävitada maad veeuputusega, nagu on jutustatud Noa laeva loos.

Vikerkaare teaduse praktilised rakendused

Vikerkaare tekke taga olevatel põhimõtetel on praktilisi rakendusi erinevates valdkondades:

Meteoroloogia: Vikerkaare tekkeni viivate tingimuste mõistmine aitab meteoroloogidel ennustada ilmastikumustreid.
Optika: Valguse murdumise ja peegeldumise uurimine on ülioluline läätsede, prismade ja muude optiliste instrumentide projekteerimisel.
Fotograafia: Teadmine, kuidas valgus interakteerub veepiiskadega, võimaldab fotograafidel jäädvustada vapustavaid pilte vikerkaartest ja muudest atmosfäärinähtustest.
Kunst ja disain: Värvispekter ja värvide vastastikmõju on kunsti ja disaini põhimõisted, mis on inspireeritud vikerkaarte looduslikust ilust.

Vikerkaarte vaatlemine: nipid ja trikid

Et suurendada oma võimalusi vikerkaart näha, pidage meeles järgmisi näpunäiteid:

Otsige vihmasadusid, millest päikesevalgus läbi murrab. Vikerkaared ilmuvad kõige tõenäolisemalt pärast vihmasadu, kui päike on madalal taevas.
Asetage end nii, et päike oleks teie selja taga. Vikerkaar ilmub päikese vastas.
Kui võimalik, tõuske kõrgemale. Kõrgem vaatepunkt võib pakkuda laiemat vaadet horisondile ja suurendada teie võimalusi vikerkaart näha.
Olge kannatlik. Vikerkaared on mööduvad nähtused ja võivad kiiresti kaduda.
Kaaluge polariseeritud päikeseprillide kasutamist. Polariseeritud klaasid võivad vähendada peegeldust ja parandada vikerkaare värve.

Kokkuvõte: vikerkaarte püsiv lumm

Vikerkaared on enamat kui lihtsalt kaunid värvide vaatemängud. Nad on tunnistuseks valguse ja aine keerukast vastastikmõjust, meeldetuletus teaduslikest põhimõtetest, mis meie maailma valitsevad. Iidsetest müütidest tänapäeva teaduseni inspireerivad vikerkaared jätkuvalt aukartust ja imetlust, ühendades meid loodusmaailma ja üksteisega.

Olenemata sellest, kas olete kogenud teadlane või lihtsalt looduse ilu austaja, võib vikerkaarte taga peituva teaduse mõistmiseks aja võtmine süvendada teie tunnustust nende maagiliste värvikaarte vastu. Seega, järgmine kord, kui näete taevast ehtivat vikerkaart, meenutage valguse põnevat teekonda läbi veepiiskade ja lummavat füüsikat, mis selle nähtuse ellu äratab.

Edasine uurimine: ressursid sügavamaks õppimiseks

Vikerkaarte teaduse edasiseks uurimiseks kaaluge järgmisi ressursse:

Raamatud: "Light and Color" autor R.W.G. Hunt, "Optics" autor Eugene Hecht
Veebisaidid: NASA, National Geographic, Scientific American
Dokumentaalfilmid: Loodusdokumentaalid, mis keskenduvad ilmale ja atmosfäärinähtustele
Veebikursused: Sissejuhatavad füüsika ja optika kursused platvormidel nagu Coursera ja edX

Süvenedes sügavamale optika ja atmosfääriteaduse maailma, saate avada suurema mõistmise paljudest meid ümbritsevatest imedest, sealhulgas vikerkaare lummavast ilust.