La pagina tecnica degli Amici dell'Arcobaleno

PORTE APERTE 7/14 marzo

Ma che cosa è l'Arcobaleno?

L'arcobaleno è un fenomeno ottico e meteorologico che produce uno spettro (quasi) continuo di luce nel cielo quando la luce del Sole attraversa le gocce d'acqua rimaste in sospensione dopo un temporale, o presso una cascata o una fontana.
Visivamente è un arco multicolore, rosso sull'esterno e viola sulla parte interna; la sequenza completa è rosso, arancione, giallo, verde, azzurro, indaco e violetto. Esso è la conseguenza della dispersione e della rifrazione della luce solare contro le pareti delle gocce stesse.
In rari casi, un arcobaleno lunare, o notturno, può essere visto nelle notti di forte luce lunare. Ma, dato che la percezione umana dei colori in condizioni di poca luminosità è scarsa, gli arcobaleni lunari sono percepiti come bianchi.
Gli arcobaleni possono essere osservati ogni qualvolta ci sono gocce di acqua nell'aria e luce solare che brilla da dietro l'osservatore ad una bassa altitudine o angolo. L'arcobaleno più spettacolare si può vedere quando metà del cielo è ancora scuro per le nuvole di pioggia e l'osservatore si trova in un punto con il cielo pulito sopra. L'effetto dell'arcobaleno è anche comune vicino alle cascate o alle fontane. A volte si possono vedere frange di arcobaleno ai bordi delle nuvole illuminate da dietro e come bande verticali nella pioggia distante o nelle virghe. L'effetto si può anche creare artificialmente disperdendo goccioline di acqua nell'aria durante un giorno soleggiato.

Raramente, un moonbow, un arcobaleno lunare, o arcobaleno notturno, si può vedere in notti fortemente illuminate dalla luna. Siccome la percezione visiva umana per i colori è bassa in condizioni di scarsa illuminazione, i moonbow vengono spesso percepiti come bianchi.

L'aspetto di un arcobaleno è provocato dalla dispersione ottica della luce solare che attraversa le gocce di pioggia. La luce viene prima rifratta quando entra nella superficie della goccia, riflessa sul retro della goccia e ancora rifratta come lascia la goccia. L'effetto complessivo è che la luce in arrivo viene riflessa in una larga gamma di angoli, con la luce più intensa riflessa con un angolo di 40°–42°. L'angolo è indipendente dalla dimensione della goccia, ma dipende dal suo indice di rifrazione. L'acqua del mare ha un indice più alto di quella della pioggia, quindi il raggio di un arcobaleno negli spruzzi di acqua di mare è più piccolo di quello di un arcobaleno di pioggia. Questo è visibile a occhio nudo dal disallineamento di questi due archi.[2]
La quantità di luce che viene rifratta dipende dalla sua lunghezza d'onda, e quindi dal suo colore. La luce blu (onde più corte) viene rifratta ad un angolo più grande di quella rossa, ma siccome l'area nel retro di una gocciolina ha un punto focale al suo interno, lo spettro lo attraversa, e così la luce rossa appare più alta nel cielo, formando i colori esterni dell'arcobaleno. La luce dietro alle gocce di pioggia non va in riflessione interna totale e un poco di luce emerge dal retro; tuttavia, la luce che viene fuori dal retro della goccia non crea un arcobaleno tra l'osservatore e il sole perché lo spettro emesso dal retro non ha un massimo di intensità, come hanno gli altri arcobaleni visibili, e quindi i colori si mescolano tra loro piuttosto che formare un arcobaleno.
Un arcobaleno non esiste effettivamente in una particolare posizione del cielo. Si trova, invece, un fenomeno ottico la cui posizione apparente dipende dalla locazione dell'osservatore e dalla posizione del sole. Tutte le gocce di pioggia rifrangono la luce solare nello stesso modo, ma solo la luce di alcune di esse raggiunge l'occhio dell'osservatore. Questa luce è quella che costituisce l'arcobaleno per quel determinato osservatore.
La posizione di un arcobaleno nel cielo è sempre dalla parte opposta rispetto al sole, e l'interno è sempre leggermente più luminoso dell'esterno. L'arco è centrato sull'ombra della testa dell'osservatore, e più precisamente nel nadir (che si trova sotto all'orizzonte durante il giorno), apparendo ad un angolo di 40°–42° rispetto alla linea tra la testa dell'osservatore e la sua ombra. Come risultato, se il sole è più alto di 42°, allora l'arcobaleno si trova sotto l'orizzonte e non può essere visto siccome di solito non ci sono abbastanza goccioline di pioggia tra l'orizzonte (che è l'altezza degli occhi) e la terra per contribuirvi. Eccezioni avvengono quando l'osservatore si trova sopra la terra, per esempio su di un aeroplano (vedi figura), su di una montagna o su di una cascata. Un arcobaleno può essere generato utilizzando uno spruzzino da giardino, ma perché vi siano abbastanza gocce, esse devono essere molto fini.
È difficile fotografare l'arco completo di un arcobaleno, poiché questo richiederebbe un angolo visivo di 84°. Per una fotocamera a 35 mm, una lente con una lunghezza focale di 19 mm sarebbe necessaria, mentre la maggior parte dei fotografi ha solo lenti con una larghezza angolare di 28 mm. Un sistema per aggirare questo limite è l'utilizzo di programmi appositi che realizzano automaticamente un "collage" di più immagini, che sono facilmente reperibili nella rete. Da un aeroplano, si ha l'opportunità di vedere un cerchio intero di arcobaleno, con l'ombra dell'aereo nel suo centro. Questo fenomeno potrebbe essere confuso con il fenomeno gloria, ma un gloria è solitamente molto più piccolo, coprendo solo 5°–20°.
Un terzo, o triplo, arcobaleno si può vedere in rare occasioni, e pochissimi osservatori hanno riportato l'avvistamento di arcobaleni quadrupli, nei quali l'arco più esterno, molto più fioco, aveva un aspetto increspato e pulsante. Questi arcobaleni apparirebbero dallo stesso lato nel cielo dove si trova il sole, rendendoli molto difficili da avvistare.

Altre volte può essere osservato un altro meraviglioso fenomeno di arcobaleno, consistente in diversi deboli arcobaleni nel lato interno del'arco primario e, molto raramente, anche all'esterno di quello secondario. Sono leggermente separati ed hanno bande di colori pastello che non entrano nello schema classico. Questi sono conosciuti come arcobaleni "supernumerosi", e non è possibile spiegare la loro esistenza utilizzando la geometria ottica classica. I fiochi archi alternati sono provovati da interferenze tra i raggi di luce che seguono percorsi leggermente diversi con lunghezza d'onda leggermente diverse all'interno delle gocce di pioggia. Alcuni raggi sono in fase rinforzandosi l'un l'altro attraverso una interferenza costruttiva, creando una banda molto luminosa; altri sono fuori fase fino a mezza lunghezza d'onda, cancellandosi a vicenda attraverso interferenza distruttiva, creando un buco. Data la differenza tra gli angoli di rifrazione per raggi di diversi colori, i modelli dell'interferenza sono leggermente diversi per questi ultimi, così ogni banda luminosa è differenziata nel colore, creando un arcobaleno in miniatura. Gli arcobaleni supernumerosi sono meglio visibili quando le gocce di pioggia sono piccole e di dimensioni simili. L'esistenza reale di tale tipo di arcobaleno è stato storicamente un primo indizio della natura ondulatoria della luce e la prima spiegazione fu fornita da Thomas Young nel 1804.
Altre varianti di arcobaleno vengono prodotte quando la luce solare si riflette su una massa di acqua. Là dove la luce si riflette sull'acqua prima di raggiungere le gocce di pioggia, si produce un arcobaleno di riflesso. Questi arcobaleni condividono gli stessi punti finali del normale arcobaleno ma hanno un arco molto più grande quando tutto esso è visibile. Sia l'arco primario che quello secondario riflessi possono essere osservati.
Un arcobaleno riflesso, in contrasto, viene prodotto quando la luce che è stata prima riflessa dentro le gocce viene riflessa da una massa di acqua prima di raggiungere l'osservatore. Un arcobaleno riflesso non è una immagine specchiata dell'arco primario, ma è posizionata ad un angolo dipendente dall'altezza del sole. Entrambi i tipi si possono vedere nell'immagine a destra