قوس قوزح أحد روائع الطبيعة ، وهو يمثل استعراضًا ممتازًا لفكرة تشتت الضوء ، وهو أيضًا أحد الأدلة على أن الضوء المرئي يتكون من طيف من مجموعة من الأطوال الموجية يرتبط كل منها بلون مختلف ، وحتى ترى قوس قزح يجب أن توجه ظهرك ناحية الشمس وتنظر نحو منطقة من الغلاف الجوي بها قطرات معلقة من الماء أو حتى ضباب خفيف ، بزاوية تساوي تقريبًا 40 درجة .
فكل قطرة من الماء تعمل مثل منشور ثلاثي مصغر يفرق الضوء ثم يعكسه مرة أخرى باتجاه عينيك وهو مشتت ، وأثناء نظرك باتجاه السماء سوف تصل مجموعة من الأطوال الموجية المرتبطة بكل لون على حدا إلى عينيك بواسطة قطرات الندا المختلفة .
وعند تجمع تأثير قطرات المطر الصغيرة معًا سوف نرى في السماء قوس دائري من مجموعة من الألوان ، ولكن هل تعرف بالضبط كيف تقوم قطرات الماء بتشتيت وعكس الضوء ، ولماذا يظهر دائمًا بألوان محددة ونمط ثابت ؟ هذا ما سنحاول فهمه في السطور التالية ولكن أولًا دعونا نتعرف على ألوان الطيف السبعة .
الطيف المرئي
يتكون شعاع الضوء الأبيض أو الطيف المرئي من مجموعة مختلفة من الأطوال الموجية وعندما تجتمع هذه الأطوال معًا تشكل الضوء الأبيض ، وعادة ما تستجيب العين البشرية لأطوال موجية تتراوح من 380 إلى 750 نانومتر في الهواء ، وهذا المجال ينخفض في الماء بسبب معامل انكسار الماء ، أما الأطوال الموجية خارج هذا النطاق فلا نستطيع رؤيتها بالعين المجردة مثل الأشعة تحت الحمراء أو فوق البنفسجية .
والألوان التي تمثل الأطوال الموجية للطيف المرئي هي بالترتيب (الأحمر والبرتقالي والأصفر والأخضر والأزرق والبنفسجي والنيلي ) ، ويمتلك اللون البنفسجي أقصر طول موجي وأعلى تردد أما اللون الأحمر فيمتلك أطول طول موجي وأقصر تردد .
مسار الضوء خلال قطرة المطر
تعمل مجموعة قطرات المطر العالقة في الجو كجهاز عاكس للضوء ، حيث أن الماء له كثافة ضوئية مختلفة عن الكثافة الضوئية للهواء الموجود في الغلاف الجوي ، وعندما يعبر الضوء بين وسطين مختلفين في الكثافة الضوئية ( قطرات المطر والهواء) فإنه يحدث له عملية ارتداد أو انعكاس ، ولأن سرعة الضوء تقل عند مروره عبر قطرات الماء ، فإنه مساره يصبح منحني أو مقوس ، وعند خروج الضوء مرة أخرى من قطرات الماء ، فإن مساره ينحني مرة أخرى باتجاه مساره الطبيعي ، وبذلك فإن قطرات الماء تسبب انحراف مسار الشعاع الضوئي أثناء دخوله وخروجه من القطرة .
وهناك عدد لانهائي من المسارات التي يمكن أن يمر بها شعاع الضوء الخارج من الشمس داخل قطرة الماء الواحدة ، وفي كل مسار يتعرض الشعاع لعملية تغير مساره وأثناء دخوله وأثناء خروجه من قطرة المطر ، وعند دخول الشعاع الضوئي وخروجه يتم تشتيته أو تفريقه ثم تقويسه ، وهو ما يراه أي شخص ينظر إلى السماء .
كما في حالة انكسار الضوء عند مروره عبر منشور ثلاثي ، فإن مرور ضوء الشمس الأبيض عبر قطرات الماء يؤدي إلى تشتيته لمجموعة الألوان التي تمثل الطيف المرئي (الأحمر والبرتقالي والأصفر والأخضر والأزرق والبنفسجي والنيلي ) ، وتكون زاوية الانحراف بين الأشعة القادمة من الشمس والأشعة المنكسرة والموجهة نحو عيون الناظرين على سطح الأرض حوالي 42 درجة بالنسبة للون الأحمر حوالي 42 درجة ، وبالنسبة للضوء الأزرق تكون حوالي 40 درجة ، وقد تختلف زوايا انكسار الشعاع الضوئي بسبب اختلاف مسار الشعاع داخل قطرة المطر وهناك مسارات تعتمد على موقع الشمس في السماء والجزء من القطرة الذي يتلامس مع شعاع الضوء ، ولكن أكبر تركيز للأشعة يكون عندما ينكسر بزاوية تتراوح بين (40 إلى 42 ) درجة ،لذلك يتكون قوس قزح عند هذه الدرجة بالتحديد .
رؤية قوس قزح
نحن نعرف قوس قزح دائمًا على أنه قوس دائري نراه في السماء بعد الليالي الممطرة ، والمراقب لقوس قزح يعرف أن اللون الأحمر هو اللون الأعلى دائمًا ، ولكن إذا كنت محظوظ بما يكفي لرؤية قوس قزح من السماء وأنت على متن طائرة فيمكن أن ترى قوس قزح على هيئة دائرة كاملة ، وذلك لأن من ينظر إلى قوس قزح وهو على الأرض غالبًا لن يرى سوى النصف العلوي من القوس ، لأن سطح الأرض قد يمنع رؤية النصف السفلي من القوس ، أما من يراقب قوس قزح من السماء فإنه غالبًا يكون قادر على رؤيته بالكامل .
ويمكن أن يتكون قوس قزح في أوقات أخرى غير وقت سقوط المطر ، على سبيل المثال يسبب رذاذ الماء المتطاير عند قاعدة الشلالات تشتيت الضوء مما ينتج عنه ظهور قوس قزح ، كما أن رشاشات الماء في الحدائق تعتبر مصدر شائع لتكون قوس قزح ، حيث أن قطرات الماء وضوء الشمس هي الأدوات اللازمة لمشاهدة واحد من روائع الطبيعة “قوس قزح ” .
فكل قطرة من الماء تعمل مثل منشور ثلاثي مصغر يفرق الضوء ثم يعكسه مرة أخرى باتجاه عينيك وهو مشتت ، وأثناء نظرك باتجاه السماء سوف تصل مجموعة من الأطوال الموجية المرتبطة بكل لون على حدا إلى عينيك بواسطة قطرات الندا المختلفة .
وعند تجمع تأثير قطرات المطر الصغيرة معًا سوف نرى في السماء قوس دائري من مجموعة من الألوان ، ولكن هل تعرف بالضبط كيف تقوم قطرات الماء بتشتيت وعكس الضوء ، ولماذا يظهر دائمًا بألوان محددة ونمط ثابت ؟ هذا ما سنحاول فهمه في السطور التالية ولكن أولًا دعونا نتعرف على ألوان الطيف السبعة .
الطيف المرئي
يتكون شعاع الضوء الأبيض أو الطيف المرئي من مجموعة مختلفة من الأطوال الموجية وعندما تجتمع هذه الأطوال معًا تشكل الضوء الأبيض ، وعادة ما تستجيب العين البشرية لأطوال موجية تتراوح من 380 إلى 750 نانومتر في الهواء ، وهذا المجال ينخفض في الماء بسبب معامل انكسار الماء ، أما الأطوال الموجية خارج هذا النطاق فلا نستطيع رؤيتها بالعين المجردة مثل الأشعة تحت الحمراء أو فوق البنفسجية .
والألوان التي تمثل الأطوال الموجية للطيف المرئي هي بالترتيب (الأحمر والبرتقالي والأصفر والأخضر والأزرق والبنفسجي والنيلي ) ، ويمتلك اللون البنفسجي أقصر طول موجي وأعلى تردد أما اللون الأحمر فيمتلك أطول طول موجي وأقصر تردد .
مسار الضوء خلال قطرة المطر
تعمل مجموعة قطرات المطر العالقة في الجو كجهاز عاكس للضوء ، حيث أن الماء له كثافة ضوئية مختلفة عن الكثافة الضوئية للهواء الموجود في الغلاف الجوي ، وعندما يعبر الضوء بين وسطين مختلفين في الكثافة الضوئية ( قطرات المطر والهواء) فإنه يحدث له عملية ارتداد أو انعكاس ، ولأن سرعة الضوء تقل عند مروره عبر قطرات الماء ، فإنه مساره يصبح منحني أو مقوس ، وعند خروج الضوء مرة أخرى من قطرات الماء ، فإن مساره ينحني مرة أخرى باتجاه مساره الطبيعي ، وبذلك فإن قطرات الماء تسبب انحراف مسار الشعاع الضوئي أثناء دخوله وخروجه من القطرة .
وهناك عدد لانهائي من المسارات التي يمكن أن يمر بها شعاع الضوء الخارج من الشمس داخل قطرة الماء الواحدة ، وفي كل مسار يتعرض الشعاع لعملية تغير مساره وأثناء دخوله وأثناء خروجه من قطرة المطر ، وعند دخول الشعاع الضوئي وخروجه يتم تشتيته أو تفريقه ثم تقويسه ، وهو ما يراه أي شخص ينظر إلى السماء .
كما في حالة انكسار الضوء عند مروره عبر منشور ثلاثي ، فإن مرور ضوء الشمس الأبيض عبر قطرات الماء يؤدي إلى تشتيته لمجموعة الألوان التي تمثل الطيف المرئي (الأحمر والبرتقالي والأصفر والأخضر والأزرق والبنفسجي والنيلي ) ، وتكون زاوية الانحراف بين الأشعة القادمة من الشمس والأشعة المنكسرة والموجهة نحو عيون الناظرين على سطح الأرض حوالي 42 درجة بالنسبة للون الأحمر حوالي 42 درجة ، وبالنسبة للضوء الأزرق تكون حوالي 40 درجة ، وقد تختلف زوايا انكسار الشعاع الضوئي بسبب اختلاف مسار الشعاع داخل قطرة المطر وهناك مسارات تعتمد على موقع الشمس في السماء والجزء من القطرة الذي يتلامس مع شعاع الضوء ، ولكن أكبر تركيز للأشعة يكون عندما ينكسر بزاوية تتراوح بين (40 إلى 42 ) درجة ،لذلك يتكون قوس قزح عند هذه الدرجة بالتحديد .
رؤية قوس قزح
نحن نعرف قوس قزح دائمًا على أنه قوس دائري نراه في السماء بعد الليالي الممطرة ، والمراقب لقوس قزح يعرف أن اللون الأحمر هو اللون الأعلى دائمًا ، ولكن إذا كنت محظوظ بما يكفي لرؤية قوس قزح من السماء وأنت على متن طائرة فيمكن أن ترى قوس قزح على هيئة دائرة كاملة ، وذلك لأن من ينظر إلى قوس قزح وهو على الأرض غالبًا لن يرى سوى النصف العلوي من القوس ، لأن سطح الأرض قد يمنع رؤية النصف السفلي من القوس ، أما من يراقب قوس قزح من السماء فإنه غالبًا يكون قادر على رؤيته بالكامل .
ويمكن أن يتكون قوس قزح في أوقات أخرى غير وقت سقوط المطر ، على سبيل المثال يسبب رذاذ الماء المتطاير عند قاعدة الشلالات تشتيت الضوء مما ينتج عنه ظهور قوس قزح ، كما أن رشاشات الماء في الحدائق تعتبر مصدر شائع لتكون قوس قزح ، حيث أن قطرات الماء وضوء الشمس هي الأدوات اللازمة لمشاهدة واحد من روائع الطبيعة “قوس قزح ” .
