فرايند تشكيل رنگين كمان چيست

دونالد اهرنز نويسنده اي است كه در كتاب خود با نام “هواشناسي امروز” از رنگين كمان تحت عنوان يكي از ديدني ترين نورهايي كه مي توان در زمين مشاهده كرد نام برده است. حقيقتاً از ديدگاه سنتي رنگين كمان عبارت از پرتو خورشيدي است كه به رنگهاي مختلف انتشار مي يابد و به وسيله قطرات ريز باران به چشم مشاهده كننده بازمي گردد.اصطلاح كمان كه بخشي از كلمه رنگين كمان را تشكيل مي دهد در حقيقت مطلب را به خوبي توضيح مي دهد كه رنگين كمان دسته اي است از رنگهاي خم شده كماني است كه مركز مشتركي دارند.
خورشيد هنگام پديدار شدن رنگين كمان كجاست؟
طرح اين پرسش براي شروع تفكر فيزيكي پيرامون اين مسئله كه “فرايند تشكيل رنگين كمان چيست” بسيار مناسب است. اغلب مردم هيچ توجهي نمي كنند كه زمان مواجهه با رنگين كمان هميشه خورشيد پشت سرشان قرار دارد. و مركز كمان رنگين كمان دقيقاً در مقابل خورشيد واقع است. البته با ذكر اين نكته كه باران در امتداد رنگين كمان قرار دارد.

چه چيزي سبب ايجاد قوس رنگين كمان مي شود؟
پرسشهايي از اين دست پاسخهاي فيزيكي به خصوصي دارند. ما پديده تشكيل كمان را توسط بارش باران توضيح خواهيم داد. و اين مسئله اي پيرامون مباحث اپتيك است كه نخستين بار به طور شفاف توسط رنه دكارت در سال ۱۶۳۷ ميلادي تشريح گرديد.موضوع جالب تاريخي اينكه مطابق با مطلبي كه در كتاب كارل بايرز “رنگين كمان از افسانه تا رياضيات” شرح داده شده در حقيقت دكارت اين پديده را با در نظر گرفتن گذر نور از يك قطره آب ساده سازي نموده و توانست اين پديده را شرح دهد . وي مي نويسد: در نظر بگيريد اين كمان نه در آسمان

بلكه در هواي نزديك به ما هر كجا كه خورشيد به قطرات باران ميتابد ظاهر گردد. در نتيجه ما قطعاً خواهيم توانست اصل قضيه را دريابيم. من تصميم دارم به سهولت بيان نمايم كه هر كدام از پرتوهاي نور به قطرات فرو ريزنده باران برخورد و از آن عبور نمايد و به چشم ما ميرسد. بعلاوه با در نظر گرفتن اين موضوع كه قطره باران گرد و كروي است و ساختاري تشكيل يافته دارد و اينكه قطره آب در اندازه هاي بزرگتر و كوچكتر ايجاد مي گردد در اصل پيدايش كمان تفاوتي ايجاد نميشود اگر اين كره كوچك يا بزرگ باشد.من نظري دارم و آن اين است كه مي توان اين مطلب را بهتر بيان نمود. دكارت توضيح داده كه چگونه كره بزرگي ساخته و به پرتوهاي خورشيد گذرنده از آن نگاه كرده است.

وي همچنين نوشته است “من دريافتم اگر پرتو خورشيد بعنوان مثال از بخشي از خورشيد كه در شكل زير با AFZنشان داده شده است عبور كند و چشمان ناظر در نقطهE قرار داشته باشد زمانيكه در موقعيت دوار BCD واقع هستم قسمت D قرمز و روشنتر به نظر خواهد رسيد.”
و هرچقدر به آن نزديك شوم يا از آن دور گردم و يا به چپ و راست بروم و يا اينكه به سمت بالا ارتفاع بگيرم همواره خط EM با امتداد خط DE زاويه ۴۲ درجه خواهد ساخت.
بنابراين ما تصور مي كنيم در امتداد مركز خورشيد و چشمان مان قرار دارد و از اين رو همواره قرمز به نظر خواهد رسيد و به تدريج با بزرگتر شدنDEM رنگ قرمز محو و ناپديد خواهد شد.

و به همين ترتيب اگر زاويه را اندكي كوچكتر در نظر بگيريم رنگ قرمز به يكباره ناپديد و محو نخواهد شد بلكه حالت محو تري پيدا خواهد كرد و ديگر آن حالت تشعشع درخشنده را كمتر خواهد داشت. كه به تدريج در پهناهاي مجاور آن رنگهاي زرد آبي و ساير رنگها ظاهر مي شوند.
وقتي مسئله را جزئي تر بررسي كنيم درمي يابيم در قسمتBCDچه چيزي سبب مي گردد نقطه D قرمز به نظر برسد. دريافتم كه پرتوهاي نور خورشيدي كه از A به B مي رسند در زمان ورود به نقطه B خم مي شوند. و براي عبور به نقطه C جايي كه به نقطهDبازتابيده مي شوند و در آنجا با عبور از قطره آب باز هم خميده مي شوند .

آنچه گفته شد شكل رنگين كمان را بيان مي كند . براي ساده سازي اين تحليل مسير پرتو تكرنگ را درون يك قطره كروي آب در نظر بگيريد . تصور كنيد نور چگونه داخل قطره كروي آب مي گردد و سپس چگونه توسط سطح خميده داخلي و نيز ” آيينه مانند” قطره آب بازتابيده مي شود. و در نهايت اينكه چگونه نور به قطره آب وارد و از آن خارج مي گردد.اگر نتايج اين بررسي را به كل قطرات آب باران در آسمان تعميم دهيم مي توانيم علت كماني شكل بودن رنگين كمان را درك نماييم. دياگرام سنتي براي توضيح اين پديده نشان داده شده است. “فيزيك هواشناسي” مسير عبور يك پرتو نور از قطره آب در امتدادSA را نمايش مي دهد. به گونه اي كه باريكه نور در نقطه A وارد مي شود .

به ميزان كمي خميده مي گردد و به داخل قطره آب وارد شده تا نقطه B پيش مي رود.
زمانيكه به نقطهC بازتابيده مي شود و از قطره آب بيرون آمده اكنون با حالتي منحني و خميده شده در امتداد CE از قطره خارج مي گردد. زاويه D ميزان انحراف زاويه اي خروج پرتو نور از امتداد اصلي را نشان مي دهد.
دكارت اين زاويه را براي پرتو نور قرمز در حدود ۱۳۸ درجه اندازه گيري نموده است. پرتوي كه در اينجا كشيده شده بسيار با اهميت است زيرا كه پرتوي را كه انحراف زاويه كمتري دارد از ميان همه پرتوها در قطره باران نشان مي دهد كه دكارت يا پرتو رنگين كمان ناميده ميشود و بيشتر پرتوهاي خورشيدي مانند آن درست مانند اين پرتو در ميان قطره باران شكسته و

بازتابيده ميشوند. بنابراين نور بازتابيده شده پراكنده تر و ضعيف تر خواهد بود مگر آنكه نزديك به اين امتداد پرتو رنگين كماني باشد. اين تمركز پرتوها در نزديكي حداقل انحراف زاويه اي منجر به ظاهر شدن كمان و قوس رنگين كمان مي گردد.خورشيد فوق العاده از ما دور است و مي توان تقريب خوبي براي اين مسئله داشت. با فرض اينكه پرتوهاي خورشيدي دسته پرتوهاي موازي ايجاد مي نمايد كه در قطره آب داخل شده و در درون قطره پخش و بازتابيده مي شود و بار ديگر ه هنگام خروج از قطره آب رفتار مشابهي نشان مي دهد. دكارت در اين

باره مي نويسد: قلم به دست گرفتم و محاسبه دقيقي از مسير پرتوهايي كه بر نقاط مختلف قطره كروي باران وارد مي شود براي حساب كردن اينكه چه زوايايي پس از دو پراكندگي و بازتاب به چشم انسان مي رسند انجام دادم. سپس دريافتم پس از يك بازتاب و دو پراكندگي پرتوهاي بيشتري از زاويه ۴۲ و ۴۱ درجه مي توانند به چشم برسند تا اينكه از ساير زوايا . و هيچ پرتوي از زاويه اي بيش از اين نمي تواند مشاهده شود.عموماً يك قطره باران كروي است و بنابر اين اثر آن بر نور خورشيد به طور متقارن با يك محور ميان مركز قطره و چشمه نور (در اينجا خورشيد) مي باشد .زيرا اين تقارن در بيان دوبعدي موجود در شكل به خوبي كفايت مي كند و تصور سه بعدي قطره به دليل تقارن كروي مي تواند با گردش حول محور تقارن صورت پذيرد.اثر تقارن كانوني بر هر قطره در هر كجا كه قطرات باران را مشاهده مي كنيم.

و با معيار ديدrainbow ray تعريف مي گردد را در لكه هاي روشن را پراكنده شده و بازتاب يافته نور خورشيد خواهيم ديد.
بر طبق شكل مشاهده مي كنيم كه پرتو رنگين كمان براي نور قرمز مابين امتداد پرتو خورشيد و خط ديد زاويه ۴۲ درجه مي سازد. بنابراين در زمانيكه قطره باران در خط ديد واقع مي شود با نور پديدار شده چنين زاويه اي را مي سازد روشنايي آن را خواهيم ديد.

كماني بدين ترتيب رنگين كماناز منحني با زاويه ۴۲ درجه به مركز مقابل خورشيد است. ما منحني را به طور كامل مشاهده نخواهيم كرد زيرا زمين در ميانه راه با آن برخورد مي كند. زماني كه خورشيد نسبت به افق پايين تر قرار دارد ما بخش هاي بيشتري از اين قوس دايره رنگين كمان را مشاهده خواهيم نمود خصوصاً در موقعيت غروب خورشيد كه ما نيم دايره اي از نگين كمان با كمان ۴۲ درجه در بالاي افق مشاهده مي نماييم. زمانيكه خورشيد نسبت به افق در بالاترين قسمت خود واقع است كمان رنگين كمان كوچكتر به نظر خواهد رسيد.
چه چيزي سبب ايجاد رنگها در رنگين كمان مي شوند؟

توضيح سنتي رنگين كمان بيان مي داشت كه رنگين كمان متشكل از ۷ رنگ قرمز نارنجي زرد سبز آبي نيلي و بنفش مي باشد اما در حقيقت رنگين كمان طيف پيوسته اي از تمامي رنگها را از بنفش تا قرمز در گستره ديد انسان در بر مي گيرد. رنگهاي رنگين كمان ناشي از دو واقعيت اساسي است:

پرتو خورشيد متشكل از دامنه همه رنگهاي قابل ديد در گستره بينايي انسان مي باشد . رنگهاي نور خورشيد زمانيكه با يكديگر تركيب مي گردند سفيد به نظر مي رسند. اين خاصيت نور خورشيد نخستين بار توسط سر آيزاك نيوتن در سال ۱۶۶۶ تشريح گرديد. نور رنگهاي مختلف زمانيكه از يك حائل مانند هوا به محيط ديگري مانند آب يا شيشه عبور مي كنند به ميزان متفاوتي انتشار مي يابند. دكارت و ويلبرورد اسنل محاسبه كرده بودن كه نور چگونه زمانيكه از يك محيط به محيط ديگري كه چگالي متفاوتي دارد گذر مي كند خم يا پراكنده مي شود. (مانند گذر نور از هوا به محيط آب) زمانيكه مسير پرتو نور درون قطره آب را براي نورهاي قرمز و آبي بررسي مي كنيم در مي يابيم زاويه انحراف براي اين دو رنگ متفاوت است . زيرا نور آبي بيش از نور قرمز خميده و پراكنده مي شود.