Varavīksnes zinātne: Atklājot gaismas refrakcijas un ūdens pilienu burvību

Varavīksnes, šie efemērie krāsu loki, kas rotā debesis pēc lietusgāzes, ir valdzinājuši cilvēci gadsimtiem ilgi. Tās parādās mītos un leģendās dažādās kultūrās, simbolizējot cerību, veiksmi un dievišķus solījumus. Bet aiz to skaistuma un simboliskās nozīmes slēpjas aizraujošs zinātnisks skaidrojums, kas sakņojas gaismas un ūdens fizikā.

Varavīksnes veidošanās zinātne: Soli pa solim

Varavīksnes veidošanās balstās uz trim galvenajiem procesiem: refrakciju, atstarošanu un dispersiju. Šie procesi notiek, kad saules gaisma mijiedarbojas ar ūdens pilieniem, kas atrodas atmosfērā. Apskatīsim katru soli:

1. Refrakcija: Gaismas liekšanās

Refrakcija ir gaismas liekšanās, kad tā pāriet no vienas vides uz citu. Varavīksnes gadījumā saules gaisma ceļo no gaisa ūdens pilienā. Tā kā ūdens ir blīvāks par gaisu, gaismas ātrums palēninās, izraisot tā liekšanos vai refrakciju. Liekšanās apjoms ir atkarīgs no leņķa, kādā gaisma iekļūst pilienā, un gaismas viļņa garuma (krāsas).

Iedomājieties, kā jūs stumjat iepirkumu ratiņus no gludas virsmas (gaiss) uz paklāja (ūdens). Riteņi paklāja pusē palēninās, izraisot ratiņu nelielu pagriešanos. Gaisma uzvedas līdzīgi, liecoties pret normāli (imagināra līnija, kas ir perpendikulāra virsmai), kad tā iekļūst ūdens pilienā.

2. Atstarošana: Gaismas atstarošana atpakaļ

Kad gaisma ir iekšā ūdens pilienā, tā ceļo uz piliena aizmuguri un atstarojas no iekšējās virsmas. Šī atstarošana ir līdzīga tam, kā darbojas spogulis, atstarojot gaismu atpakaļ virzienā, no kurienes tā nākusi. Ne visa gaisma atstarojas; daļa izkļūst no piliena, bet atstarotā gaisma ir ļoti svarīga varavīksnes efekta radīšanai.

Atstarošana notiek starp ūdens un gaisa refrakcijas koeficientu atšķirības dēļ. Kad gaisma mēģina izkļūt no ūdens piliena lielā leņķī, tā piedzīvo pilnīgu iekšējo atstarošanu, kas nozīmē, ka tā tiek pilnībā atstarota atpakaļ pilienā.

3. Dispersija: Krāsu atdalīšana

Dispersija ir baltās gaismas sadalīšana tās sastāvdaļu krāsās. Tas notiek tāpēc, ka dažādi gaismas viļņu garumi (dažādas krāsas) tiek refraktēti nedaudz atšķirīgos leņķos. Sarkanā gaisma ar garāko viļņa garumu tiek refraktēta vismazāk, bet violetā gaisma ar īsāko viļņa garumu tiek refraktēta visvairāk.

Šī krāsu atdalīšana ir analoga tam, kā darbojas prizma. Prizma arī refraktē gaismu, atdalot balto gaismu krāsu spektrā. Ūdens piliens darbojas kā miniatūra prizma, izkliedējot saules gaismu varavīksnes toņos.

Varavīksnes leņķis: Kāpēc varavīksnes parādās tur, kur tās parādās

Varavīksnes parādās noteiktā leņķī attiecībā pret novērotāju un sauli. Visintensīvākās varavīksnes krāsas ir redzamas aptuveni 42 grādu leņķī attiecībā pret saules gaismas virzienu. Šo leņķi nosaka ūdens refrakcijas koeficients un leņķi, kādos gaisma tiek refraktēta un atstarota ūdens pilienos.

Šī specifiskā leņķa dēļ varavīksne vienmēr ir redzama pretī saulei. Ja saule ir jums aiz muguras, varavīksne parādīsies jūsu priekšā. Jo augstāk saule ir debesīs, jo zemāk parādīsies varavīksne. Kad saule ir augstāk par 42 grādiem virs horizonta, varavīksne nebūs redzama no zemes, jo atstarošanas leņķis novietotu varavīksni zem horizonta.

Novērotāja perspektīva: Personīgā varavīksne

Ir svarīgi atcerēties, ka varavīksne nav fiksēts objekts debesīs. Tā ir optiska parādība, kas ir atkarīga no novērotāja pozīcijas. Katrs cilvēks redz nedaudz atšķirīgu varavīksni, jo gaisma, kas sasniedz viņu acis, nāk no dažādiem ūdens pilieniem.

Tas izskaidro, kāpēc jūs nekad nevarat "sasniegt varavīksnes galu". Pārvietojoties, mainās arī ūdens pilieni, kas jums rada varavīksni, tāpēc varavīksne vienmēr šķiet vienādā attālumā.

Varavīksnes veidi: Aiz parastā

Lai gan klasiskā varavīksne ir visbiežāk novērotā, ir vairāki citi varavīksnes veidi, kas var rasties īpašos atmosfēras apstākļos:

Dubultās varavīksnes

Dubultā varavīksne attēlo divus atšķirīgus krāsu lokus. Primārā varavīksne ir spilgtāka un košāka no abām, ar sarkanu ārpusē un violetu iekšpusē. Sekundārā varavīksne, kas atrodas ārpus primārās varavīksnes, ir blāvāka un tai ir apgrieztas krāsas, ar violetu ārpusē un sarkanu iekšpusē.

Sekundārā varavīksne veidojas, divreiz atstarojot saules gaismu ūdens pilienu iekšpusē. Šī dubultā atstarošana izraisa krāsu apgriešanu un arī samazina gaismas intensitāti, padarot sekundāro varavīksni blāvāku.

Supernumerārās varavīksnes

Supernumerārās varavīksnes parādās kā vājas, pasteļkrāsas joslas primārās varavīksnes iekšpusē. Šīs joslas izraisa gaismas viļņu traucējumu efekti, kas ir ceļojuši nedaudz atšķirīgus ceļus caur ūdens pilieniem.

Supernumerārās varavīksnes visbiežāk novēro, kad ūdens pilieni ir mazi un vienāda izmēra. Traucējumu efekti ir izteiktāki šajos apstākļos, radot atšķirīgas krāsu joslas.

Miglas varavīksnes

Miglas varavīksnes, kas pazīstamas arī kā baltās varavīksnes, ir līdzīgas parastajām varavīksnēm, bet tās veido ūdens pilieni miglā, nevis lietū. Tā kā ūdens pilieni miglā ir daudz mazāki par lietus pilieniem, miglas varavīksnes krāsas ir ļoti vājas un bieži parādās baltas vai sudrabainas.

Miglas varavīksnes visbiežāk novēro, skatoties pret sauli caur plānu miglas slāni. Tās bieži redzamas piekrastes zonās vai kalnu reģionos, kur ir izplatīta migla.

Mēness varavīksnes

Mēness varavīksnes, kas pazīstamas arī kā lunārās varavīksnes, ir varavīksnes, ko rada mēness gaisma, nevis saules gaisma. Tā kā mēness gaisma ir daudz vājāka par saules gaismu, mēness varavīksnes parasti ir ļoti vājas un grūti saskatāmas. Tās bieži parādās baltas vai sudrabainas, bet ar ilgas ekspozīcijas fotogrāfiju var uztvert to krāsas.

Mēness varavīksnes visbiežāk novēro naktīs ar pilnu mēnesi un pēc lietus. Tās biežāk redzamas vietās ar ūdenskritumiem vai miglu, kur gaisā ir daudz ūdens.

Varavīksnes dažādās kultūrās un mitoloģijās

Dažādās kultūrās un visā vēsturē varavīksnēm ir bijusi atšķirīga nozīme un simboliska nozīme. Tās bieži vien attēlo tiltus starp pasaulēm, dievišķas svētības un cerību solījumus.

• Grieķu mitoloģija: Varavīksni personificēja Īrisa, dievu vēstnese, kas savienoja debesis un zemi.
• Norvēģu mitoloģija: Bifrēsts, degošs varavīksnes tilts, savienoja Midgardu (Zemi) un Asgardu (dievišķo valstību).
• Īru folklora: Leprečoni slēpj savu zelta podu varavīksnes galā.
• Pamatiedzīvotāju kultūras: Daudzas pamatiedzīvotāju kultūras uzskata varavīksni par svētu simbolu, kas attēlo saikni, transformāciju un dziedināšanu.
• Kristietība: Varavīksne simbolizē Dieva solījumu nekad vairs neiznīcināt zemi ar plūdiem, kā stāstīts Noasa šķirsta stāstā.

Varavīksnes zinātnes praktiskie pielietojumi

Varavīksnes veidošanās pamatprincipi tiek praktiski pielietoti dažādās jomās:

• Meteoroloģija: Izpratne par apstākļiem, kas izraisa varavīksnes veidošanos, palīdz meteorologiem prognozēt laikapstākļus.
• Optika: Gaismas refrakcijas un atstarošanas izpēte ir ļoti svarīga, lai izstrādātu lēcas, prizmas un citus optiskos instrumentus.
• Fotogrāfija: Zinot, kā gaisma mijiedarbojas ar ūdens pilieniem, fotogrāfi var uzņemt satriecošus varavīksnes un citu atmosfēras parādību attēlus.
• Māksla un dizains: Krāsu spektrs un veids, kā krāsas mijiedarbojas, ir pamatjēdzieni mākslā un dizainā, ko iedvesmo varavīksnes dabiskais skaistums.

Varavīksnes novērošana: Padomi un triki

Lai palielinātu savas izredzes ieraudzīt varavīksni, ņemiet vērā šos padomus:

• Meklējiet lietusgāzes, kurās spīd saules gaisma. Varavīksnes visbiežāk parādās pēc lietusgāzes, kad saule ir zemu debesīs.
• Novietojieties tā, lai saule būtu jums aiz muguras. Varavīksne parādīsies pretī saulei.
• Paaugstiniet savu pozīciju, ja iespējams. Augstāks skatu punkts var nodrošināt plašāku skatu uz horizontu un palielināt jūsu izredzes ieraudzīt varavīksni.
• Esiet pacietīgs. Varavīksnes ir gaistošas parādības un var ātri pazust.
• Apsveriet iespēju izmantot polarizētās saulesbrilles. Polarizētās lēcas var samazināt atspīdumu un uzlabot varavīksnes krāsas.

Secinājums: Ilgstošā aizraušanās ar varavīksnēm

Varavīksnes ir vairāk nekā tikai skaisti krāsu attēlojumi. Tās ir apliecinājums sarežģītajai gaismas un matērijas mijiedarbībai, atgādinājums par zinātniskajiem principiem, kas pārvalda mūsu pasauli. Sākot no seniem mītiem līdz mūsdienu zinātnei, varavīksnes turpina iedvesmot bijību un brīnumu, savienojot mūs ar dabu un vienam ar otru.

Neatkarīgi no tā, vai esat pieredzējis zinātnieks vai vienkārši dabas skaistuma cienītājs, veltot laiku, lai izprastu zinātni, kas slēpjas aiz varavīksnēm, varat padziļināt savu atzinību par šiem maģiskajiem krāsu lokiem. Tāpēc nākamreiz, kad ieraudzīsiet varavīksni, kas rotā debesis, atcerieties aizraujošo gaismas ceļojumu caur ūdens pilieniem un valdzinošo fiziku, kas atdzīvina šo parādību.

Turpmāka izpēte: Resursi dziļākai mācīšanai

Lai turpinātu izpētīt varavīksnes zinātni, apsveriet šos resursus:

• Grāmatas: "Light and Color" by R.W.G. Hunt, "Optics" by Eugene Hecht
• Vietnes: NASA, National Geographic, Scientific American
• Dokumentālās filmas: Dabas dokumentālās filmas, kas koncentrējas uz laikapstākļiem un atmosfēras parādībām
• Tiešsaistes kursi: Ievadfizikas un optikas kursi tādās platformās kā Coursera un edX

Iedziļinoties optikas un atmosfēras zinātnes pasaulē, jūs varat atraisīt dziļāku izpratni par daudzajiem brīnumiem, kas mūs ieskauj, tostarp valdzinošo varavīksnes skaistumu.