CURCUBEUL

Din cele mai vechi timpuri, oamenii, fiinte prin excelenta rationale, au cautat sa inteleaga si sa-si explice aparitia unui fenomen mirific: curcubeul.

Marele filozof antic Aristotel (384 -322 i.e.n.), dascalul lui Alexandru Macedon, a facut incercarea, intr-o cartea sa, "Meteora" in care se ocupa de fenomenele care se intampla "intre cer si pamant" ( de la aceasta denumire deriva meteorologia de astazi), de a explica natura acestui fenomen tipic meteorologic care este curcubeul.

Spre deosebire de miturile antice, Aristotel cauta sa dea curcubeului o explicatie fizica, bazata pe conditiile naturale care se cer pentru aparitia sa. In mod just, el face o legatura directa intre incidenta razelor solare cu picaturile de ploaie si formarea arcului colorat pe cer, dar detaliile fizice ale fenomenului nu sunt destul de bine aprofundate. Astfel, in mod eronat, el afirma ca la baza fenomenului ar sta un simplu efect de reflectare a razelor solare de catre picaturile de ploaie. Ulterior s-a aratat experimental ca o simpla reflectare nu este suficienta pentru a produce dispersia luminii, ci este necesar si un fenomen de refractie a ei. Aceasta scapare este insa explicabila, deoarece legile refractiei si dispersiei luminii vor fi cercetate experimental abia in timpurile mai recente.

Seneca a facut aceeasi greseala in privinta explicarii curcubeului si abia in secolul al XIII-lea Vitellio emite ideea ca la producerea curcubeului ar juca un rol si refractia luminii.

Intre alti oameni de stiinta care s-au ocupat dupa aceea de problema curcubeului trebuie amintit Marco Antonio De Dominis din Spalato, care a trait intre 1566 si 1624. Pe la 1591 el a scris o carte care a fost publicata abia dupa 20 de ani la Venetia, unde mesterii sticlari se interesau de astfel de probleme, in care exista un capitol referitor la fenomenul curcubeului. Autorul trateaza rational acest fenomen, pe baza opticii geometrice. Astfel, el admite ca la formarea curcubeului primar, raza de lumina ce vine de la soare si ajunge in perdeaua de ploaie sufera doua refractii si o reflexie in picatura de ploaie pe care o intalneste, inainte de a ajunge la ochiul observatorului. Mai mult chiar, el explica si aparitia curcubeului secundar, prin aceea ca raza de lumina solara sufera doua refractii si doua reflexii interne in picatura de ploaie.

Dupa 26 de ani, la 1637, Réne Descartes (1596-1650) publica si el la Leyda o carte asupra problemelor meteorologice ("Météores") in care intareste ideile lui De Dominis asupra curcubeului , aducand argumente experimentale. Dealtfel, Descartes s-a ocupat intens - teoretic si experimental - de problemele reflexiei si refractiei luminii.

CURCUBEUL IN OPTICA GEOMTRICA

In primul rand, se stie ca, pentru ca acest fenomen sa fie vizibil, este necesar ca observatorul sa priveasca spre o perdea de ploaie care este iluminata - din spatele sau - de razele solare. In aceste conditii, razele paralele ale soarelui ce cad pe picaturile de ploaie vor suferi reflexii si refractii, dupa care o parte va ajunge la ochiul observatorului. Este important de retinut ca, la intrarea in picatura de apa, raza solara va suferi in primul rand o refractie, apoi o reflexie pe latura opusa a picaturii si in fine, - la iesirea ei din picatura - o noua refractie. Cele doua refractii - dupa cum se stie din fizica elementara - vor produce si dispersia luminii, adica separarea razelor de lumina dupa lungimea lor de unda. Ori, cum lumina solara cuprinde intreg spectrul vizibil, picatura de apa va reda in mod fidel acest spectru.

Intrucat unghiul de incidenta al razelor solare cu suprafata picaturii de ploaie poate varia de la 0 grade la 90 grade, este de asteptat ca si razele emergente din picatura de ploaie care vin spre ochiul observatorului, sa fie imprastiate in diferite directii, sub diverse unghiuri fata de directia fasciculului de raze solare. Descartes a facut numeroase constructii geometrice de drumuri posibile ale razelor de lumina in picatura sferica de apa si a ajuns la unele rezultate interesante. Astfel, notand cu D unghiul cu care este deviata raza solara in picatura (prin cele doua refractii si o reflexie), el a aflat ca exista o valoare minima a acestui unghi, sub care nu vom mai gasi raze emergente. Aceasta valoare minima a unghiului de deviere este de ordinul a 138 grade si raza respectiva care se incadreaza in aceasta valoare se numeste raza Descartes. Mai mult chiar, tot in aceste constructii geometrice, el a aflat ca densitatea razelor emergente, deci in ultima analiza intensitatea luminii care ajunge la observator, nu este omogena, ci prezinta un maxim tocmai pentru aceasta valoare minima a devierii. Aceasta inseamna ca observatorul va vedea fasciculul de raze deviate sub un unghi suplimentar, in directia de observare, deci sub unghiul 180s - D = 42s. Aceasta distanta unghiulara se socoteste fata de punctul antisolar, adica punctul aflat la intersectia planului curcubeului cu axa care trece prin soare si prin ochiul observatorului.

Dintr-un avion sau de pe un varf de munte se poate vedea intreaga desfasurare circulara a curcubeului, dar pe pamant ne impiedica linia orizontului. De asemenea, curcubeul nu se poate vedea atunci cand elevatia soarelui este mai mare de 42s deasupra orizontului si, de aceea el se vede mai ales dimineata sau seara, mai rar la amiaza. Acesata deoarece, odata cu inaltarea soarelui pe cer, se coboara spre orizont varful arcului curcubeului.

Pentru producerea curcubeului nu este necesara insa numaidecat lumina solara. Orice fascicul de lumina suficient de puternic care cade pe o perdea de picaturi de ploaie sau in general de apa, poate produce acest efect. Uneori se pot observa curcubee destul de bine dezvoltate noaptea, la lumina lunii pline. Nici ploaia nu este absolut necesara pentru producerea curcubeului, care se poate forma foarte bine si in stropii cascadelor sau fantanilor arteziene.

CULORILE CURCUBEULUI

Explicatia minunatelor culori ale curcubeului a fost data de Isaac Newton (1642-1727) in lucrarea sa "Optica". Se stie ca acest mare om de stiinta a dovedit prin experiente de laborator ca lumina solara alba nu este simpla, omogena, ci este compusa din raze de mai multe culori si ca aceste culori, amestecate, pot da nastere iarasi luminii albe. Separarea razelor de diferite culor din lumina alba (dispersia luminii) se poate face cu o prisma de sticla, asa cum a facut Newton pe cand era student la Cambridge, in 1666. Ochiul omenesc distinge rosul, verdele, albastrul, indigoul si violetul, totalitatea lor formand asa-numitul spectru al luminii albe.

Cauza acestei dispersii a luminii consta in diferenta dintre indicii de refractie ai diferitelor culori, de care va depinde si unghiul de deviere minima (adica fiecare culoare isi are raza Descartes proprie).

INDICELE DE RFRACTIE IN APA SI UNGHIUL DE DEVIERE MINIMA PENTRU CATEVA COMPONENTE ALE LUMINII SOLARE

Deorece unghiul de deviere minima pentru razele de lumina violeta este mai mare decat unghiul corespunzator pentru razele rosii, inseamna ca picaturile de ploaie care trimit lumina violeta in ochiul observatorului trebuie sa fie asezate mai jos decat cele care trimit lumina violeta (si chiar toate culorile spectrului), dar aceasta trece pe deasupra observatorului, deoarece unghiul lor devine minima este mare. De asemenea, picaturile din partea de jos a curcubeului trimit si ele lumina rosie si alte culori, dar razele respective trec pe sub ochiul observatorului, deoarece unghiul lor de deviere minima este mai mic.

CURCUBEE DE ORDIN SUPERIOR

Raza de lumina care intra in picatura de ploaie nu poate suferi mai mult de doua refractii, una la intrare si a doua la iesire. In schimb, numarul reflexiilor interne nu este limitat decat de scaderea intensitatii luminoase. Daca se face o singura reflexie interna, vom capata curcubeul de ordinul intai, de care am discutat pana aici. Dar daca se vor produce doua reflexii interne, o simpla constructie geometrica ne va arata ca unghiul sub care vine raza de lumina in ochiul observatorului nu va mai fi de 42 grade, ci de circa 51 de grade. Deci curcubeul de ordinul doi, sau curcubeul secundar, se va vedea deasupra curcubeului primar atunci cand razele solare sunt suficient de puternice. In ceea ce priveste ordinea culorilor, se va observa o inversare a ei, adica rosul va fi spre interior si violetul spre exterior. Aceasta inversare nu este cauzata de vreo modificare a indicilor de refractie, ci pur si simplu de reflexia a doua. Intrucat fiecare reflexie suplimentara inverseaza ordinea de prezentare a culorilor, curcubeele de ordin par (2,4 etc) vor avea o aranjare a culorilor inversa fata de curcubeele de ordin impar (1,3 etc ) . Latimea curcubeelor merge crecand, de la cel primar la cel secundar si apoi la cel tertiar; pe cand curcubeul primar si cel secundar se vad in aceeasi parte a curcubeului (in directia opusa Soarelui), curcubeele tertiare si cuaternare se vad in directia Soarelui. De aici se poate deduce ca, pentru observarea curcubeelor de ordinul trei si patru, perdeaua de ploaie trebuie sa fie asezata intre observator si Soare, sau chiar deasupra observatorului, iar acesta trebuie sa priveasca in directia Soarelui. Dat fiind ca intensitatea luminii solare este mult mai mare decat luminozitatea curcubeelor de ordinul trei si patru, acestea se vor observa cu mare greutate.

CURCUBEELE SUPRANUMERARE

Cand iluminatia solara este puternica, la partea inferioara a curcubeului primar - in luminozitatea de dincolo de violet - se observa o serie de benzi colorate,