L’arcobaleno è uno dei più affascinanti spettacoli offerti dalla natura. Questi archi multicolori nel cielo sono amati da persone di tutte le età e culture. Ma cosa c’è dietro la formazione di questo straordinario fenomeno? In questo articolo, esploreremo la scienza che si nasconde dietro l’arcobaleno. Dalla dispersione della luce alla rifrazione nei piccoli goccioloni d’acqua sospesi nell’aria, scopriremo come il nostro mondo si trasforma in un caleidoscopio di colori quando la luce solare incontra la pioggia.
La fisica della luce e della dispersione
L’arcobaleno è un esempio eloquente della dispersione della luce, un fenomeno che ci mostra che la luce bianca, come quella del sole, è in realtà una combinazione di molte lunghezze d’onda diverse, o colori. Per capire come l’arcobaleno si forma, dobbiamo prima comprendere cosa succede quando la luce passa attraverso un prisma o un mezzo con una densità ottica diversa, come l’acqua.
La luce del sole è composta da un’ampia gamma di lunghezze d’onda, o colori. Quando questa luce colpisce una goccia d’acqua sospesa nell’atmosfera, avviene qualcosa di magico. La luce entra nella goccia e subisce un processo di rifrazione. La rifrazione è il cambiamento nella direzione di propagazione della luce quando passa da un mezzo all’altro con una densità ottica diversa.
Il percorso della luce attraverso una goccia d’acqua
Una goccia d’acqua sospesa nell’atmosfera agisce come un prisma naturale. Quando la luce del sole entra nella goccia, subisce una leggera deviazione verso il normale, cioè verso la linea immaginaria perpendicolare alla superficie della goccia stessa. Questo è il primo passo fondamentale nella formazione dell’arcobaleno.
Dopo la rifrazione, la luce attraversa l’interno della goccia e subisce una riflessione interna totale sulla superficie interna della goccia stessa. Questo processo fa sì che la luce si pieghi nuovamente verso l’interno della goccia. Ogni colore della luce subisce questo processo di rifrazione e riflessione interna, ma ciascun colore è deviato di una quantità leggermente diversa. I colori con lunghezze d’onda più corte, come il blu e il viola, sono deviati di più rispetto ai colori con lunghezze d’onda più lunghe, come il rosso e l’arancione.
La formazione dell’arcobaleno
La deviazione di ciascun colore crea una dispersione della luce all’interno della goccia d’acqua. Questo è ciò che separa i colori e crea l’effetto arcobaleno. Ma perché vediamo un arco e non un cerchio completo?
L’arcobaleno è in realtà un cerchio completo che circonda il punto esatto opposto al sole, noto come il “punto antisolare”. Tuttavia, quando lo osserviamo dalla Terra, vediamo solo la parte superiore dell’arco. Questo perché il suolo blocca la parte inferiore del cerchio.
Se ci trovassimo in un aereo in volo, potremmo osservarlo in tutta la sua gloria, poiché avremmo una visuale non ostruita sia della parte superiore che di quella inferiore del cerchio. Ma per la maggior parte di noi, l’arcobaleno appare come un semicerchio colorato che si estende sopra l’orizzonte.
La posizione dell’arcobaleno e l’angolo di deviazione
La posizione dell’arcobaleno nel cielo è fondamentalmente determinata dall’angolo di deviazione della luce all’interno delle gocce d’acqua. In particolare, l’angolo di deviazione per il colore rosso è di circa 42 gradi rispetto alla direzione opposta al sole. Il colore blu, invece, è deviato di circa 40 gradi rispetto alla stessa direzione.
Questi angoli di deviazione sono fondamentali per la posizione dell’arcobaleno che vediamo. Quando ne guardiamo uno, vediamo principalmente il colore rosso sulla parte esterna e superiore dell’arco, mentre il blu è visibile sulla parte interna e inferiore. Questo è dovuto alla diversa deviazione dei colori all’interno delle gocce d’acqua.
I colori dell’arcobaleno
L’arcobaleno è noto per la sua sequenza di colori che va dal rosso al viola. Un acronimo utile per ricordare l’ordine dei colori nell’arcobaleno è “RAGVAIV,” che rappresenta rosso, arancione, giallo, verde, blu, indaco e violetto. Tuttavia, alcuni scienziati ritengono che l’indaco sia troppo simile al blu per essere distintivo, quindi la sequenza più comune è quella con sei colori.
- Rosso: Il rosso è il colore esterno dell’arcobaleno ed è associato alla lunghezza d’onda più lunga, che è di circa 650 nanometri. Questo colore è il primo a essere visibile nell’arcobaleno.
- Arancione: Subito dopo il rosso, troviamo l’arancione. La sua lunghezza d’onda è leggermente più corta, intorno ai 620-590 nanometri. L’arancione è il secondo colore nell’arcobaleno.
- Giallo: Il giallo è il terzo colore nell’arcobaleno, con una lunghezza d’onda di circa 590-570 nanometri. È notevole per la sua luminosità e chiarezza.
- Verde: Dopo il giallo, segue il verde, con una lunghezza d’onda di circa 570-495 nanometri. Questo colore è associato a una vasta gamma di sfumature verdi nell’arcobaleno.
- Blu: Il colore blu ha una lunghezza d’onda di circa 495-450 nanometri ed è noto per la sua posizione nell’arcobaleno.
- Viola: Il colore viola conclude la sequenza dell’arcobaleno con una lunghezza d’onda di circa 450-400 nanometri. È il colore più vicino al centro dell’arcobaleno.
All’esterno dei colori dell’arcobaleno, c’è una sottile sovrapposizione di luce bianca, che rende l’interno dell’arcobaleno più luminoso rispetto all’esterno. Questa sovrapposizione è dovuta all’interferenza delle onde di luce, un processo noto come interferenza costruttiva. Questo effetto crea una zona di luce bianca appena al di sotto dei colori dell’arcobaleno.
Varietà di Arcobaleni
L’arcobaleno che vediamo più comunemente è noto come il “primo ordine” o “primario” arcobaleno. Tuttavia, esistono anche altri tipi di arcobaleni, ciascuno con le sue caratteristiche uniche. Ecco alcune delle varietà più interessanti:
- Arcobaleno doppio: In alcune circostanze, è possibile osservare un secondo arcobaleno esterno al primo. Questo arcobaleno doppio si forma quando la luce subisce due riflessioni interne totali all’interno delle gocce d’acqua anziché una sola. Il secondo arcobaleno è più debole e i colori sono invertiti rispetto all’arcobaleno primario.
- Arcobaleno lunare: Se la luna è abbastanza luminosa e ci sono gocce d’acqua nell’atmosfera, è possibile osservare un arcobaleno notturno. L’arcobaleno lunare è meno comune ma altrettanto affascinante.
- Arcobaleno supernumerario: Questo è un fenomeno raro in cui sono visibili strisce sottili e colorate all’interno dell’arcobaleno principale. Questo effetto si verifica a causa dell’interferenza delle onde di luce e crea un’immagine quasi spettrale.
- Arcobaleno rosso: Durante il tramonto, l’arcobaleno può apparire prevalentemente rosso. Questo è dovuto al fatto che durante l’alba o il tramonto, la luce del sole deve attraversare uno strato atmosferico più spesso, il che fa sì che i colori con lunghezze d’onda più lunghe, come il rosso, siano meno dispersi rispetto ai colori più corti, come il blu. Di conseguenza, l’arcobaleno può apparire con tonalità rosse predominanti.
- Arcobaleno riflesso: Quando l’arcobaleno si riflette su una superficie d’acqua, come un lago o un fiume, si forma un arcobaleno riflesso. Questo fenomeno può creare un effetto straordinario, con un arcobaleno che sembra emergere dall’acqua.
Miti e leggende sugli arcobaleni
Gli arcobaleni hanno affascinato l’umanità per secoli ed hanno ispirato miti e leggende in tutto il mondo. Ad esempio, nella mitologia norrena, esiste un arcobaleno chiamato “Bifrost” che funge da ponte tra la Terra e il regno degli dei, noto come Asgard. Nelle antiche credenze del Giappone e del Gabon, si dice che gli arcobaleni siano i ponti che le antiche divinità attraversavano per scendere sulla Terra.
In molte culture, è associato a messaggi positivi. Nell’Epopea di Gilgamesh e nella Bibbia cristiana, è visto come un segno divino della promessa di non distruggere mai più la Terra con un diluvio.
Tuttavia, in alcune parti del mondo, gli arcobaleni sono visti in modo negativo. Ad esempio, in alcune tribù dell’Amazzonia, gli arcobaleni sono associati alle malattie. In Birmania, si crede che gli arcobaleni siano demoni che minacciano i bambini.
Un mito molto conosciuto riguardo agli arcobaleni è quello irlandese del “vaso d’oro alla fine dell’arcobaleno”. La leggenda narra di un folletto, il leprechaun, che nasconde un vaso d’oro alla fine dell’arcobaleno. Ma poiché gli arcobaleni sono cerchi completi che si formano a seconda del punto di osservazione, nessuno riesce mai a raggiungere la fine dell’arcobaleno per trovare il tesoro.
Arcobaleni Artificiali
Sebbene gli arcobaleni siano un fenomeno naturale, gli scienziati sono stati in grado di creare arcobaleni artificiali in laboratorio utilizzando prismi e lenti speciali. Questi arcobaleni artificiali sono utili nella ricerca scientifica per studiare le proprietà della luce e della dispersione.
Conclusioni
Gli arcobaleni sono una delle manifestazioni più affascinanti della fisica ottica nella natura. La loro formazione è il risultato di un processo complesso che coinvolge la dispersione della luce e la rifrazione attraverso piccole gocce d’acqua sospese nell’atmosfera.
La prossima volta che vedrete un arcobaleno nel cielo dopo una pioggia, potrete apprezzare non solo la sua bellezza visiva, ma anche la scienza che si cela dietro questo spettacolo naturale. Gli arcobaleni ci ricordano che la natura è un laboratorio incredibile in cui la luce, l’acqua e la fisica si combinano per creare meraviglie che catturano l’immaginazione di tutti noi.
