رنگین کمان چگونه تشکیل می‌شود؟ 

این منظره زیبا از شکستن نوری که از میان قطرات باران گذشته است، پدید می‌آید. در اینجا قطرات باران هر کدام نقش منشوری را دارند که نور خورشید را تجزیه و بازتاب می کند و باعث تفکیک رنگها بصورت مرتب و به شکل هندسی زیبایی می‌شوند.

می‌دانیم که نور سفید ترکیبی از هفت رنگ است که بوسیله منشور و ... تجزیه می‌شود.

در منشور ، نوری که کمترین طول موج را دارد (بنفش) بیشتر منحرف می‌شود، لذا رنگ بنفش با حداکثر انحراف در پایین طیف قرار می گیرد و رنگ قرمز که بیشترین طول موج را دارد، در بالای کمان دیده می‌شود. ترتیب رنگها بصورت زیر است:

قرمز ، نارنجی ، زرد ، سبز ، آبی ، نیلی ، بنفش

این طیف به گونه ای می باشد که نمی توان مرز بین دو ناحیه رنگی را مشخص کرد. در ترتیب رنگی فوق ضریب شکست و زاویه انحراف رفته رفته زیادتر شده و طول موج بتدریج کاهش می‌یابد.

موضوع جالب توجه این است که اگر دو نفر کنار هم ایستاده باشند ، یک رنگین کمان واحد را 

نخواهند دید.

این قوس هفت رنگ ، کمان دایره‌ای می‌باشد، که سایه سر ناظر مرکز آن دایره است. پس بسته به جای هر فرد و فاصله او تا قطرات باران ، کمانهای متفاوتی خواهیم داشت و هر کس رنگین کمان مخصوص خودش را خواهد دید. 

شايد در يک نگاه سطحي علت کماني بودن رنگين کمان را کروي بودن کره ي زمين بيان کنيد.

در حاليکه چنين دليلي درست نيست چرا که اگر شما يک شيلنگ آب را نيز مقابل نور خورشيد بپاشانيد شاهد تشکيل رنگين کمان خواهيد بود. که با توجه به ابعاد آن و زمین قابل توجیه نیست.

 چه چیزی سبب ایجاد رنگها در رنگین کمان می شوند؟

 توضیح سنتی رنگین کمان بیان می کند که رنگین کمان متشکل از 7 رنگ قرمز نارنجی زرد سبز آبی نیلی و بنفش می باشد اما در حقیقت رنگین کمان طیف پیوسته ای از تمامی رنگها را از بنفش تا قرمز در گستره دید انسان در بر می گیرد.

 پرتو خورشید متشکل از دامنه همه رنگهای قابل دید در گستره بینایی انسان می باشد رنگهای نور خورشید زمانیکه با یکدیگر ترکیب می گردند سفید به نظر می رسند. این خاصیت نور خورشید نخستین بار توسط سر آیزاک نیوتن  در سال 1666 تشریح گردید. رنگهای مختلف نور زمانیکه از یک حائل مانند هوا به محیط دیگری مانند آب یا شیشه عبور می کنند به میزان متفاوتی شکسته شده و انتشار می یابند. (حتما تابحال میله یا خودکاری را داخل لیوان آب دیده اید که با وجود سالم بودن  به دلیل شکست نور شکسته دیده می شود )

 یک دانشمند بنام دکارت اسنل محاسبه کرد که نور زمانیکه از یک محیط به محیط دیگری که چگالی متفاوتی دارد گذر می کند خم یا پراکنده می شود. (مانند گذر نور از هوا به محیط آب) 

همینطور زمانیکه مسیر پرتو نور درون قطره آب را برای نورهای قرمز و آبی بررسی می کنیم در می یابیم زاویه انحراف برای این دو رنگ نیز متفاوت است . زیرا نور آبی بیشتر از نور قرمز خمیده و پراکنده می شود.

چه چیزی سبب ایجاد رنگین کمان دوتایی می شود؟

بعضی وقتها دو رنگین کمان را همزمان با هم مشاهده می کنیم. چرا اینگونه است؟ ما مسیر پرتو نور از درون قطره آب باران را در زمانی که وارد آن می شود و درون آن بازتابیده می شود  پیگیری کردیم . اما تمام انرژی پرتو نور پس از آنکه یکمرتبه بازتابیده شد اتلاف می شود. بخشی از پرتو نور مجدداً بازتابیده می شود و از درون قطره آب را پشت سر گذاشته و از آن بیرون می رود.

رنگین کمان معمولی که عموماً مشاهده می کنیم رنگین کمان اصلی و اولیه نامیده می شود و توسط یک بازتاب داخلی ایجاد می گردد .

 رنگین کمان ثانویه به سبب وجود دو بازتاب داخلی ایجاد شده و پرتو نور با زاویه 50 درجه نسبت به زاویه 42 درجه کمان اولیه قرمز از قطره خارج می شود. نور آبی اغلب با زاویه 53 درجه پدیدار می شود و این اثر سبب ظاهر شدن رنگین کمان ثانویه می شود که رنگهای آن در قیاس با رنگین کمان اولیه معکوس هستند. ممکن است که یک پرتو نور بیش از دو مرتبه درون قطره آب بازتابیده شود. و می توان به همین ترتیب رنگین کمان های مرتبه بالاتر را نیز شرح داد. اما در حقیقت این حالت در شرایط محیطی معمولی رخ نمی دهد.

چرا آسمان درون رنگین کمان روشن تر به نظر می رسد؟

دقت نمایید که کنتراستی میان رنگ آسمان بیرون و درون کمان رنگین کمان وجود دارد.

وقتی کسی انتشار نور خورشید را در قطره آب بررسی می نماید در می یابد تعداد زیادی پرتو با زاویه های کوچکتر از  پرتو رنگین کمان خارج می شوند. اما اساساً از یک بازتاب داخلی با زاویه ای بزرگتر از این پرتو نوری وجود ندارد. بنابراین پرتوهای بسیاری از نور در کمان هستند و مقدار کمی هم سوای اینها (در زوایای دیگر) وجود دارد. زیرا این نور سفید است که ترکیبی است از همه رنگهای رنگین کمان.

در رنگین کمان نوع دوم پرتو رنگین کمان کوچکترین زاویه را دارد و پرتوهای بسیاری با زاویه های بزرگتر از آن ظاهر می شوند. بنابراین دو کمان ترکیب شده و ناحیه ای تیره تر مابین خود ایجاد می نمایند که پهنای اسکندر نامیده می شود. به افتخار اسکندر مقدونی که این موضوع را در 1800 سال پیش دریافت.  

چرا رنگین کمان به صورت « کمان » دیده می شود؟

شاید این مسئله برای دانش آموزان جذاب باشد که چرا رنگین کمان، به صورت کمان مشاهده می شود؟ در روزگاران قدیم، کسانی مثل قطب الدین شیرازی در این باره تحقیق کرده بودند، اما اولین کسی که به طور جدی به این مسئله پرداخت  رنه دکارت بود.

همانطور که می دانید قطرات آب در حال سقوط، کروی شکل هستند، اگر شما با چگونگی شکل گیری رنگین کمان آشنا باشید، متوجه خواهید شد که باید به بررسی نحوه برهم کنش پرتو نور سفید با یک قطره شفاف بپردازیم.

رنگین كمان اصلی را مجموعه پرتوهایی كه در مرز قطر هوا، دوبار شكسته و یك بــار بـاز تـابیده انـد، مـی سـازند و چـون ضریب شكست آب برای رنگ های مختلف متفاوت است، نور سفید در ضمن این شكســت هـا بـه اجـزای رنـگ های اصلی تجزیـه می شود، دقت نمایید که نور خورشید پیوسته است و در تمــام نقـاط رو بـه نور، قطره با آن برخورد می كند كه شرایط بازتاب و شكســت در هر یك از این نقاط ، متفاوت است. پدیده تجزیه نور توسط منشور را حتما در زندگی روزمره و یا در آزمایشگاه مشاهده کرده اید.

پرتو نور که در راستای یکی از قطرهای کره می تابد، بدون شکست از قطره آب عبور می کند و در طرف دیگر بازتابیده می شود.

در مقابل اگر پرتو نور مماس بر قطره به آن بتابد، می توانید ببینید كه هنگام ورود به بیشـترین مـیزان ممكـن مـی شـكند و پرتـو خروجی با پرتو خروجــی بـا پرتـو ورودی زاویـه حـدود 165 درجه می سازد، بررسی بیشتر نشان می دهد كه در بین این دو وضعیت حدی ، زاویه انحـراف زاویـه بیـن پرتـو خروجـی و ورودی از 180 درجه كاهش می یابد بــه مقـدار كمینـه 138 درجه می رسد و سپس دوباره تا 165 درجه بالا مــی رود، امـا چون در اطراف مقدار كمینه، تغیـیر زاویـه كـم اسـت، بخـش بزرگی از نور فـرودی ، در حـول و حـوش ایـن زاویـه(  138 درجه) از قطره خارج می شود.

به عبــارت دیـگر ، شـدت نـور خروجی در تمام زوایا یكسان نیست و بیشتر نـور رنگینـی كـه از قطره بیرون می رود، با جهت تابش خورشید، زاویه حــدود 138 درجه یا معادل آن 42 درجه می سازد. البته ایــن زاویـه، بستگی به رنگ پرتو دارد و بین 40 تا 42 درجه برای رنگ های قرمز تا بنفش متفاوت است. بنابراین می توان تصور كـرد كـه تنها در زوایای حــدود 42 درجـه ، پرتوهـای رنـگی بـه طـور مؤثر از قطره خارج می شوند.(شکل بالا)

حالا تصور شكل رنگین كمــان، كـار سـاده ای اسـت، فـرض كنید در بعد از ظــهر ، خورشـید در حـال تـابش و فضـا پـر از قطره های كروی آب است و شما هم پشت به خورشــید و رو به شرق ایستاده اید، در این وضعیت نور رنــگی كـه بـه چشـم شما می رسد، مجموعه نورهای خـارج شـده از تمـام قطراتـی است كه خط واصل چشم شما و آن ها با راستای نور خورشید، زاویه بین 40 و 42 درجه می سازد.

مكان هندسی این قطره ها مخروطی بــه رأس چشـم شماسـت كه نیم زاویه رأس آن حدود 42 درجه است. چیزی كه شما از رأس این مخروطی می بینید مقطع آن است، یعنی یك نوار دایره ای به پهنای زاویه ای بین 40 و 42 درجه كه رنگ های قرمز تا بنفش را در خــود جـای داده اسـت، البتـه سطح افق، این دایره را قطع می كند و چون قطـرات آب تنـها در هـوا حضـور دارنـد، شـما تنـها كمـانی از یـــك دایــره را می بینید. این كمان، وقتی پرتو خورشید موازی با افـق اسـت، یعنی هنگام غروب به بیشینه خــود مــی رسـد و بـه نیـم دایـره تبدیل می شود.

البته در آســمان و مثـلاً از درون هـواپیمـا در شرایط مساعد می تـوان رنگیـن كمـان دایـره ای را هـم دیـد.

رنگين‌کمان در واقع کمان نيست، بلکه دايره‌اى شکل است.  حقيقت ديگر درباره‌ى رنگين‌کمان اين است که رنگين کمان موقعيت مشخصى در آسمان ندارد، بلکه يک پديده‌ى نورشناختى است که جايگاه آن به موقعيت ناظر مربوط است. همه‌ى قطره‌هاى باران نور خورشيد را به شيوه‌ى يکسانى بازتاب مي‌دهند، اما پرتوهاى نور فقط از برخى قطره‌هاى باران به چشم ناظر مي‌رسند. از اين رو، هيچ دو نفرى نيستند که يک رنگين‌کمان را ديده باشند و هر چشمى رنگين‌کمان خود را مي‌بيند.

در رنگین کمان ما منحنی را به طور کامل مشاهده نخواهیم کرد زیرا زمین در میانه راه با آن برخورد می کند. زمانی که خورشید نسبت به افق پایین تر قرار دارد ما بخش های بیشتری از این قوس دایره رنگین کمان را مشاهده خواهیم نمود خصوصاً در موقعیت غروب خورشید که ما نیم دایره ای از رنگین کمان با کمان 42 درجه در بالای افق مشاهده می نماییم. زمانیکه خورشید نسبت به افق در بالاترین قسمت خود واقع است کمان رنگین کمان کوچکتر به نظر خواهد رسید.

آیا هیچ وقت فکر کردین که چرا هیچوقت رنگین کمان رو از پهلو (از لبه) نمیبینین؟ یا اینکه چرا هیچ وقت نمیتونین به پایه های اون روی سطح زمین برسین؟

در شکل فوق دایره آبی رنگ قطره آب و شعاع قرمز رنگ پرتو نور خورشید است  که پس از شکست و انعکاس کلی مجدداً از قطره آب خارج شده است

از آنجا كه برای تمام نقاط رنگین کمان این زاویه ثابت است ، پس هر تک رنگ رنگین کمان روی قوس دایره مخروطی که محور آن  امتداد پرتوهای خورشید بوده و از چشم ناظر می گذرد، قرار مي گيرد . بنابراین رنگین کمان ، کمانی شکل به نظر می رسد . زيرا مكان هندسي تمام نقاطي در فضا كه از يك نقطه ثابت ( چشم ناظر) با يك زاويه مشخص مشاهده مي شوند، مقطعي از يك مخروط ( دايره ) است كه چشم ناظر رأس آن است.

  رنگين‌کمان در واقع کمان نيست، بلکه دايره‌اى شکل است. ناظر پرتوهايى رنگى را مي‌بيند که با زوايه‌ى بين 40 تا 42 درجه نسبت به راستاى نور خورشيد از قطره‌هاى باران بيرون مي‌آيند و به چشم او مي‌رسند. اين پرتوهاى بازتابش شده با چشم ناظر مخروطى را تشکيل مي‌دهند که چشم ناظر در راس مخروط و مقطع آن مخروط به شکل دايره است. با وجود اين، رنگين‌کمان روى زمين به شکل نيم‌دايره ديده مي‌شود، زيرا سطح افق باعث مي‌شود براى ناظر زمينى فقط نيمى از آن دايره ديده ‌شود. اگر کسى در هواپيما باشد، به شرط آن که در ارتفاع زياد نباشد، دايره‌ى کامل مقطع مخروط را خواهد ديد.

کمانهای اضافی چیستند؟

در برخی از رنگین کمانها کمان های کم نور و کمرنگ فقط داخل و نزدیک بالای کمان اصلی واقع اند. این کمان ها کمان های اضافی نامیده می شوند. 

یررنگ یا کم رنگ بودن رنگین کمان:

هرگز یک سایز برای قطرات باران وجود ندارد بلکه قطرات باران متشکل از ابعاد و اندازه های گوناگون می باشند. این امر منجر به ایجاد رنگین کمان مرکب می شود . عموماً قطرات باران به شعاع 0.5 سانتی متر نمی رسند مگر در اثر برخورد با سایر قطرات. البته گاهی قطرات تا حد چند میلیمتر بزرگتر از آنچه بودند خواهند شد خصوصاً در بارانهای طوفانی.

خالص بودن رنگهای رنگین کمان به اندازه قطرات باران بستگی دارد. قطرات درشت (در حدود قطرهای چند میلیمتری) رنگین کمانهای روشن می دهند با رنگهای تفکیک شده و زیبا. قطرات ریز باران (در حدود قطرهای 0.1 میلیمتر) رنگین کمانهایی با رنگهای در هم پوشانیده شده ایجاد می نماید و اغلب نزدیک به رنگ سفید و شفاف دیده می شوند. به یاد آورید تئوری های رنگین کمان را  که قطرات باران را کروی فرض می کردند.

بنابراین به زبانی دیگر:

 با این توضیحات درباره رنگین کمان متوجه شدیم که نور مرئی در اثر انعکاس کلی در داخل قطرات آب معلق در هوا تجزیه میشه. میشه گفت که هر قطره ای مثل یک منشور بسیار کوچک عمل میکنه که نور رو تحت زاویه خاصی میشکنه. چون این زاویه شکست نور در داخل قطره برای تمام قطرات ثابته بنابراین نور تابیده شده صرفاً تحت زاویه مشخصی میشکنه. در نتیجه چشم ما فقط اون نواحی از توده قطرات رو رنگی میبینه که در این زاویه خاص با چشم ما قرار دارن. برای مثال از قطره ای که پایین تر از این زاویه با چشم ما قرار گرفته هیچ نور رنگی به چشم ما نمیرسه. درسته که اون قطره هم نور رو میشکنه اما زاویه شکستش طوریه که نور شکسته شده اون مثلاً در فاصله یک متری ما به زمین میخوره و در نتیجه ما نور رنگی اونو نمیبینیم. قطره ای هم که بالاتر قرار گرفته همینطور نور رنگی اون هم از بالای سر ما میگذره. بنابراین فقط قطراتی که در زاویه مناسب با چشم ما قرار دارن نور رنگیشون دیده میشه. مسلماً برای حفظ این زاویه باید یک کمان رو در نظر گرفت چون در امتداد یک خط راست زاویه ها با نقطه ثابت تغییر میکنه و بناچار باید خط رو منحنی کنیم تا همه جای اون نسبت به نقطه ثابت (چشم ما) به یک زاویه قرار بگیره. دیوار اتاق روبروی خودت رو تصور بکن؛ زاویه ای که چشم شما با نقطه مقابل دیوار داره با زاویه ای که با کنج دیوار داره مسلماً متفاوته. بنابراین رنگین کمان قوس دار دیده میشه. نه بخاطر اینکه واقعاً قوس داره بلکه بخاطر اینکه چشم ما اونو یک قوس میبینه ؛ این در حالیه که در حقیقت پرتو شکسته شده رنگین در تمام توده قطرات هوا و در همه جا وجود داره ولی ما فقط نقاطی که تحت زاویه خاص با چشمان ما قرار دارن رو میبینیم.