Ουράνιο τόξο - Ένα μαγευτικό οπτικό φαινόμενο.
Αρθρογραφεί ο Δρ. Κωνσταντίνος Καραγιάννης.
Κάθε φορά που μία δυνατή νεροποντή ακολουθείται από μία έστω και πρόσκαιρη ηλιοφάνεια, το ουράνιο τόξο κάνει την εμφάνισή του στον ουρανό, χαρίζοντάς μας ένα μαγευτικό οπτικό φαινόμενο. Το τόξο αυτό ενίοτε εμφανίζεται και διπλό. Το διπλό ουράνιο τόξο αποτελεί ένα από τα πιο εντυπωσιακά οπτικά φαινόμενα της φύσης και συνιστά μια φαντασμαγορική επίδειξη του τρόπου με τον οποίο η γεωμετρική οπτική και η μηχανική των κυμάτων αλληλεπιδρούν διαρκώς με την ύλη.
Για να κατανοήσουμε τη δημιουργία του, πρέπει αρχικά να εξετάσουμε τη συμπεριφορά του φωτός καθώς αυτό συναντά τις σφαιρικές σταγόνες του νερού της βροχής. Όταν το λευκό ηλιακό φως εισέρχεται σε μια σταγόνα, αλλάζει μέσο διάδοσης, περνώντας από τον αέρα στο νερό, με αποτέλεσμα να κάμπτεται, δηλαδή να υφίσταται διάθλαση. Καθώς το λευκό φως αποτελείται από σύνθεση πολλών διαφορετικών μηκών κύματος (χρώματα) και κάθε μήκος κύματος ταξιδεύει με ελαφρώς διαφορετική ταχύτητα μέσα στο νερό, η γωνία διάθλασης διαφέρει για κάθε χρώμα. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται διασπορά και διαχωρίζει το λευκό φως στα επιμέρους χρώματα του φάσματος.
Στο πρωτογενές ή βασικό ουράνιο τόξο, το διαθλασμένο φως προσπίπτει στο πίσω εσωτερικό τοίχωμα της σταγόνας, ανακλάται μία φορά εσωτερικά και στη συνέχεια εξέρχεται από τη σταγόνα με μια δεύτερη διάθλαση προς τα μάτια του παρατηρητή. Η γωνία εκτροπής για αυτό το κύριο τόξο είναι περίπου 42 μοίρες ως προς την αρχική πορεία των ακτίνων του ήλιου, με το κόκκινο χρώμα να κάμπτεται λιγότερο και να εμφανίζεται στην εξωτερική πλευρά, ενώ το βιολετί κάμπτεται περισσότερο και βρίσκεται στην εσωτερική.
Το δευτερογενές ή δευτερεύον ουράνιο τόξο, το οποίο εμφανίζεται πιο αχνό και τοποθετείται σε μεγαλύτερο ύψος στον ουρανό, οφείλεται σε μια επιπλέον ανάκλαση που συμβαίνει μέσα στη σταγόνα. Συγκεκριμένα, μερικές ακτίνες του φωτός υφίστανται δύο διαδοχικές εσωτερικές ανακλάσεις, πριν εξέλθουν τελικά προς την ατμόσφαιρα. Σε κάθε ανάκλαση στην εσωτερική επιφάνεια της σταγόνας, ένα ποσοστό της φωτεινής ενέργειας διαφεύγει και χάνεται, γεγονός που εξηγεί γιατί το δεύτερο τόξο είναι πάντα λιγότερο έντονο και πιο αμυδρό από το πρώτο. Επιπλέον, αυτή η διπλή εσωτερική ανάκλαση αλλάζει τη γεωμετρία της διαδρομής του φωτός, αυξάνοντας τη συνολική γωνία εκτροπής έως και τις 53 μοίρες. Αυτή η γεωμετρική μεταβολή προκαλεί και την πλήρη αντιστροφή της σειράς των χρωμάτων στο δευτερογενές τόξο: εδώ το βιολετί βρίσκεται στο εξωτερικό μέρος και το κόκκινο στο εσωτερικό.
Ενδιαφέρον παρουσιάζει επίσης η περιοχή του ουρανού ανάμεσα στα δύο τόξα, γνωστή ως «Ζώνη του Αλεξάνδρου», η οποία φαίνεται αισθητά πιο σκοτεινή, επειδή από αυτή τη γωνιακή περιοχή (μεταξύ 42° και 53°) δεν κατευθύνεται σχεδόν καθόλου ανακλώμενο φως προς τον παρατηρητή.
Όσον αφορά το χαρακτηριστικό σχήμα του, το ουράνιο τόξο στην πραγματικότητα δεν είναι ένα αντικείμενο στον ουρανό, αλλά μια οπτική γωνιακή κατανομή που εξαρτάται από τη θέση του παρατηρητή. Γεωμετρικά, η μορφή του συνθέτει έναν πλήρη κύκλο, του οποίου το κέντρο βρίσκεται στο αντιηλιακό σημείο, δηλαδή στο σημείο του ορίζοντα που βρίσκεται ακριβώς απέναντι από τον ήλιο σε ευθεία γραμμή με τα μάτια του παρατηρητή. Όταν βρισκόμαστε στο έδαφος, το κάτω μισό αυτού του κύκλου αποκόπτεται από τη γραμμή του ορίζοντα, γι' αυτό και το αντιλαμβανόμαστε ως τόξο. Αν όμως παρατηρήσει κανείς το φαινόμενο από μεγάλο υψόμετρο, όπως από ένα αεροπλάνο, είναι ενίοτε εφικτό να δει έναν πλήρη οπτικό κύκλο.
Για να μπορέσει κάποιος να παρατηρήσει ένα διπλό ουράνιο τόξο, απαιτείται ο συνδυασμός συγκεκριμένων ατμοσφαιρικών και γεωμετρικών συνθηκών. Πρώτον, πρέπει να υπάρχει ταυτόχρονη ηλιοφάνεια στην πλευρά που στέκεται ο παρατηρητής και εκτεταμένη βροχόπτωση στην απέναντι κατεύθυνση. Δεύτερον, ο παρατηρητής πρέπει να έχει την πλάτη του στραμμένη προς τον ήλιο και να κοιτάζει προς το μέτωπο της βροχής. Τρίτον, ο ήλιος πρέπει να βρίσκεται σχετικά χαμηλά στον ορίζοντα, συνήθως σε γωνία μικρότερη των 42 μοιρών, γι' αυτό και το φαινόμενο παρατηρείται συχνότερα νωρίς το πρωί ή αργά το απόγευμα.
Όταν όλες αυτές οι προϋποθέσεις ικανοποιούνται, η φύση μετατρέπεται σε ένα τεράστιο καλλιτεχνικό εργαστήριο, που συνθέτει και αποκαλύπτει ένα εντυπωσιακό έργο τέχνης. Ένα ακόμη υπέροχο αποτέλεσμα της κομψότητας και της αρμονίας που χαρακτηρίζουν τη μηχανική της διάθλασης και της ανάκλασης του φωτός.
Δρ. Κωνσταντίνος Απ. Καραγιάννης
