Mavrica in dvojna mavrica

Uvod

V naravi lahko opazimo veliko čudovitih pojavov. Mavrica zagotovo spada med enega najlepših.

Mavrico vidimo takrat, ko pada dež in sije sonce. V zraku morajo biti kapljice in dovolj svetlobe. Tudi če ni dežja, lahko mavrico opazimo ob slapovih, vodometih in tudi ko se penijo morski valovi. To nazorno prikazujejo spodnje slike.

Mavrica, nastala ob slapu

Mavrica, v deževnem vremenu, kjer posije malo sonca

Slika : Mavrica, nastala zardi valov (http://en.wikipedia.org/wiki/File:A_surfer_in_the_air_2.jpg)

Nastanek

Za nastanek mavrice, je najprej treba razložiti nekaj drugih pojavov, da bomo potem lažje razumeli kako mavrica nastane.

Odboj svetlobe

Kadar svetloba zadene oviro, se od nje odbije, absorbira ali gre skoznjo. Odboj se najlepše opazi na gladkih tankih površinah, na primer na zrcalu. Svetloba se odbija po odbojnem zakonu, ki pravi da je odbojni kot enak vpadnemu (slika 4). Odboj je možen tudi na prosojnih površinah, kot je na primer vodna kapljica ali steklo.

Lom svetlobe

Lom je pojav, pri katerem se spremeni smer svetlobe zaradi spremembe hitrosti pri potovanju na meji med snovema, ki imata različen lomni količnik. Na sliki 4, potuje svetloba iz zraka v vodo. Na meji med dvema različnima sredstvoma, se valu spremeni smer. O povezavi med vpadnim kotom in lomnim kotom ter lomnima količnikoma snovi, govori lomni zakon.

n1sinα = n2,sinβ

kjer je α vpadni kot, β pa lomni kot, n1 je lomni količnik prvega sredstva, n2 pa drugega (slika 4)

Slika : Odboj in lom svetlobe

Disperzija

Pojav prikažemo tako, da na prizmo posvetimo z belo svetlobo, ki je sestavljena iz vseh mavričnih barv. Te se zaradi različnih valovnih dolžin različno razklonijo. Posledica tega je prav to, da vidimo cel spekter barv. Temu pojavu rečemo disperzija.

Nastanek mavrice

Kot smo že omenili, za nastanek mavrice je najpomembnejši pogoj to, da je na nebu sonce, hkrati pa tudi dežuje. Ni nujno da je le dež, mavrico lahko opazimo tudi ob slapovih ali v kakšnih drugih okoliščinah, da so le prisotne drobne kapljice in sonce.

Mavrica nastane zaradi loma bele svetlobe na vodnih kapljicah ter popolnega odboja v njih. Bela svetloba se razkloni na spektralne barve in po prehodu skozi kapljico, vidimo na nebu mavrične barve. Mavrico vidimo kot krožni lok, katerega središče je na veznici sonce – oči. Na vsaki kapljici se dogaja isto, vendar človeško oko ni zmožno ločiti posameznih kapljic, zato vidimo mavrico kot nepretrgan trak.

Višina mavrice je odvisna od lege sonca, tem nižje je sonce, tem višje je mavrica. Če je sonce višje od 42° nad obzorjem, mavrice ni. Mavrico lahko kot poln krog opazujemo le iz visokega hriba ali iz letala. Intenziteta mavrice je odvisna predvsem od velikosti vodnih kapljic, od števila kapljic v zraku in od tega kako močna je svetloba.

Poglejmo sedaj kaj se zgodi, ko svetloba zadane kapljico vode. Zaradi enostavnosti predpostavimo, da je ta okrogle oblike.

Slika 5: Lom žarkov v kapljici (http://www.kvarkadabra.net/index.html?/vprasanja/teksti/mavrica.htm)

Za lažjo predstavo, si pomagajmo s sliko 5. Del svetlobe se bo odbil ob vpadu na kapljico, to bo odboj prvega reda (1. red). Tega ne opazimo, saj je kot odboja za vse valovne dolžine enak in tudi po odboju vidimo belo svetlobo. Nekaj svetlobe se bo lomilo in ta bo izstopila v pretežno isti smeri kot vpadna svetloba, zato je ne moremo ločiti, saj je tudi ta za vse valovne dolžine v približno isti smeri. Del svetlobe, ki se odbije, izstopi (žarki 3. reda), del se zopet odbije in nato izstopi (žarki 4. reda). Žarki 3. reda so tisti, ki nam zarišejo mavrico. Žarki četrtega reda nam zarišejo sekundarno mavrico (dvojno mavrico), vendar to opazimo redkeje, saj je intenziteta svetlobe po vsakem lomu manjša.

Vpadna svetloba se lomi iz zraka v vodno kapljico, po lomnem zakonu sin α = nsinφ , kjer je α vpadni kot in φ izstopni kot, n pa je lomni količnik vode, n = 1,34. Lomni količnik je približen, kajti za različne valovne dolžine svetlobe je različen. Večji za manjše valovne (modra svetloba) in manjši za večje valovne dolžine (rdeča svetloba). Na sliki 6 je prikazano kako se lomijo različne barve. mavrica 12.png 

Slika 6: Svetloba različnih valovnih dolžin ima različne izstopne kote. (http://en.wikipedia.org/wiki/File:Rainbow1.png)

S pomočjo ene izmed enačb, ki opisujejo mavrico, pa lahko ugotovimo, da obstaja največji izstopni kot glede na vpadno smer žarkov sonca, okoli 42°. Tu je tudi največja gostota žarkov, zato pri tem kotu vidimo rdečo barvo najintenzivnejšo. Ta kot se spreminja z barvo.  Pri kotu 40° vidimo najintenzivnejše vijolično barvo. Vse ostale barve pa so vmes med tema dvema kotoma.

Predstavljajmo si, da je pred nami nevihta z velikim številom vodnih kapljic, za nami pa sveti sonce, recimo da tik nad obzorjem, da bo razmislek lažji. Kapljice pred nami lomijo svetlobo, pri čemer vpada v naše oko le tista svetloba, ki izstopa iz kapljic pod določenim kotom, enakim kotu med našim očesom in kapljico. Ker ima kot med zveznico in našim očesom svojo največjo vrednost, kapljice, ki so za več kot ta kot oddaljene od zveznice med nami in soncem ne lomijo svetlobe proti našemu očesu. Če bi bila na primer vsa svetloba, ki jo oddaja sonce, rdeča, bi se pred nami zarisal navidezen polovičen disk odbite rdeče svetlobe, ki bi segal le od kota 42° do zveznice oči in sonce. Polovičen disk, zato ker bi bile kapljice, ki bi odbijale svetlobo za spodnji del diska pod obzorjem.

Mavrico tako sestavljajo polkrožni diski različnih barv, naloženi eden na drugega, pri čemer so robovi diskov najintenzivneje obarvani. Tako si sledijo, najprej največji rdeči disk, potem malo manjšo oranžni, nato rumeni, zeleni, moder in na koncu vijoličen. Ker se ti diski prekrivajo, je najčistejša barva rdeča, saj samo tu ni primesi ostalih barv.

Slika 7: Mavrični stožec (Hewitt, P., Suchocki, J., Hewitt, L., Conceptual physical science. Pearson Benjamin Cummings, San Francisco 2004)

Dvojna mavrica

Kadar vidimo dve mavrici, drugo tvorijo žarki četrtega reda , ki se znotraj kapljice odbijejo dvakrat (slika 5), zato je vrstni red barv zamenjan. To se vedno dogaja, vendar je druga mavrica pogosto preveč medla, da bi jo jasno videli, ker se dvakrat odbije zelo majhen delež svetlobe. Nebo med mavričnima lokoma je temno, ker v tisti predel pride manj svetlobe kot drugje.

 

Slika 8: Dvojna mavrica. (http://forum.zevs.si/index.php?topic=3868.15)

Letni časi in mavrica

Mavrico se pogosteje vidi poleti, kot pozimi. To pa zato, ker je poleti toplejše, za mavrico pa potrebujemo dež in sonce. Pozimi, ko je zunaj hladno, kapljice zamrznejo. Te pa ne ''proizvajajo'' mavrice, temveč razne druge zanimive vzorce.

Viri