Come si forma l'arcobaleno: riflessione, rifrazione e dispersione

Dal latino arcus piuvus, arco piovoso, l’arcobaleno con i suoi colori ha da sempre segnato la fine della pioggia e il ritorno del sereno, ma capire come si forma un arcobaleno ci permette di capire molto di più sulla vera natura della luce solare e su come interagisce con la materia. Ad esempio, sapevate che la luce non è bianca?

Il ruolo della luce solare

I protagonisti nella formazione dell’arcobaleno sono due: la luce solare e l’acqua.

Ma prima di capire cosa succede nel cielo dopo un temporale, è fondamentale porsi una domanda: cos’è davvero la luce del Sole?

A prima vista, la luce solare ci appare bianca, anche se in realtà non è formata da un solo colore, ma è composta da un insieme di tutti i colori dello spettro visibile, cioè tutti quei colori che il nostro occhio è in grado di percepire.

Dal punto di vista fisico, la luce è una radiazione elettromagnetica, ovvero un’onda che trasporta energia e a cui ogni colore corrisponde a una diversa lunghezza d’onda di questa radiazione:

• Le onde più lunghe, con meno energia, sono quelle del rosso.
• Le onde più corte, con più energia, sono quelle del violetto.

Quando tutte queste onde viaggiano insieme formano un unico fascio di luce che noi percepiamo come bianco. Ma questo bianco non è altro che la somma di tutti i colori.

Immaginate un pianista davanti a un pianoforte: ogni tasto produce un suono associato a una nota diversa, proprio come a ogni colore corrisponde a una diversa lunghezza d’onda.

Se il pianista preme un solo tasto, sentiamo una nota singola, per esempio, il “rosso” o il “verde”.

Ma quando il pianista preme tutti i tasti contemporaneamente, quello che ascoltiamo è un accordo, una somma di tutte le note.

Ecco, la luce bianca è proprio come quel suono: è il risultato di tutti i colori-tasto suonati insieme.

Il nostro occhio, come il nostro orecchio, non distingue ogni componente separata: percepisce l’insieme come qualcosa di unico.

Ma se qualcosa, come una goccia d’acqua o un prisma, interviene a filtrare, separare quei colori, allora i singoli tasti diventano distinguibili, e vediamo l’intero arcobaleno di colori ordinati: rosso, arancione, giallo, verde, blu, indaco, violetto.

Quindi, quando la luce del Sole colpisce milioni di minuscole gocce d’acqua dopo un temporale, è come se qualcosa mettesse in pausa il pianista e ci mostrasse ogni singolo tasto che stava suonando, uno dopo l’altro, nell’aria. Ed è proprio così che nasce l’arcobaleno.

Come l’acqua rifrange e riflette

Anche se sono troppo piccole per essere viste singolarmente, ogni goccia ha una caratteristica sorprendente: può modificare il percorso della luce.

Quando la luce colpisce una goccia d’acqua, avvengono due fenomeni fisici fondamentali: la rifrazione e la riflessione.

La rifrazione si verifica quando la luce passa da un materiale a un altro con densità diversa, per esempio dall’aria all’acqua. In questo passaggio, la luce cambia velocità, e di conseguenza si piega.

È simile a ciò che accade a un’auto che passa da una strada liscia a un terreno fangoso: le ruote rallentano in modo non graduale e il veicolo devia leggermente dalla traiettoria originale.

La riflessione, invece, è il fenomeno per cui la luce colpisce una superficie e rimbalza indietro.

È lo stesso principio di funzionamento degli specchi: la luce rimbalza indietro seguendo una traiettoria simmetrica rispetto alla superficie colpita.

Quindi quando un raggio di luce colpisce una goccia d’acqua avvengono tre fenomeni principali:

• Prima rifrazione: la luce entra nella goccia e, passando dall’aria all’acqua, si piega cambiando la direzione originale.
• Riflessione interna: all’interno della goccia, la luce raggiunge la parete opposta e viene riflessa verso l’interno, come su uno specchio.
• Seconda rifrazione: la luce, per uscire dalla goccia e tornare nell’aria, subisce una seconda deviazione di direzione.

Perché vediamo più colori

Come abbiamo detto all’inizio, anche se la luce del Sole ci sembra bianca, in realtà è da considerare come un unico fascio luminoso contenente tutti i colori.

Quando questa luce entra in una goccia d’acqua e viene deviata all’ingresso e all’uscita, si disperde: ogni componente colorata subisce una deviazione leggermente diversa; quindi, si piega con un angolo diverso.

Ad esempio, il rosso, che ha una lunghezza d’onda più lunga, si piega di meno, mentre il violetto, con lunghezza d’onda più corta, si piega di più.

Questa differenza di angolazione fa sì che, quando la luce esce dalla goccia, i colori non viaggino più uniti come prima, ma prendano direzioni leggermente diverse.

Ecco che i vari colori emergono scomposti e separati, facendoci ammirare l’arcobaleno.

Perché li vediamo così ordinati?

Il nostro occhio riesce a vedere solo i raggi che arrivano da gocce che si trovano a una certa angolazione rispetto al Sole.

Più precisamente il rosso ci arriva da gocce che deviano la luce di circa 42 gradi e il violetto da gocce che la deviano di circa 40 gradi.

E tra queste due angolazioni si dispongono tutti gli altri colori dell’arcobaleno, in ordine: arancione, giallo, verde, blu e indaco.

Arcobaleni doppi e rari fenomeni ottici

Può capitare, guardando il cielo, di vedere due arcobaleni: uno brillante e uno più debole, più esterno.

Questo fenomeno si chiama arcobaleno doppio e accade quando, all’interno della goccia d’acqua, la luce rimbalza due volte anziché una sola prima di uscire.

La seconda riflessione modifica il percorso della luce e crea un secondo arco più alto e ampio rispetto al primo, con i colori invertiti e più debole, perché ogni riflessione interna fa perdere energia alla luce.

Ma gli arcobaleni doppi non sono gli unici fenomeni ottici curiosi che possiamo osservare in cielo.

Le glorie sono piccoli cerchi colorati che si formano intorno all’ombra dell’osservatore, proiettata su una nuvola o su una superficie nebbiosa. Si vedono spesso dall’alto, ad esempio guardando fuori dal finestrino di un aereo, oppure dalla cima di una montagna.

La gloria appare come una serie di anelli concentrici, simili a un mini-arcobaleno, ma con colori meno saturi e più sfumati. È un fenomeno dovuto alla diffusione della luce in goccioline molto piccole, come quelle della nebbia.

Gli archi di nebbia, chiamati anche arcobaleni bianchi, si formano quando la luce attraversa minuscole goccioline sospese in aria. A causa delle loro dimensioni molto ridotte, la luce non si separa completamente nei suoi colori e l’arcobaleno appare pallido o quasi bianco, con contorni sfumati.

Un altro spettacolo ottico, spesso confuso con gli arcobaleni, è l’alone solare: un cerchio luminoso che circonda il Sole o la Luna, causato dalla rifrazione della luce nei cristalli di ghiaccio sospesi in alta quota.

Spiegazione per bambini e curiosi

L’arcobaleno è un effetto ottico che nasce dall’incontro tra luce e acqua.

Dopo la pioggia, nell’aria restano sospese tantissime piccole gocce d’acqua, quasi invisibili e quando la luce del Sole le colpisce, queste gocce deviamo e riflettono la luce in modo molto particolare: la luce si piega (rifrazione), poi rimbalza all’interno (riflessione) e infine esce dalla goccia piegandosi di nuovo.

La luce solare, anche se a noi sembra bianca, è in realtà composta da tanti colori diversi, mescolati tra loro e in questo processo, i diversi colori si separano, ognuno prendendo una direzione leggermente diversa.

Così i colori appaiono in fila: rosso, arancione, giallo, verde, blu, indaco e violetto. Ecco l’arcobaleno!

Sapevate che…

a cura di Alessia Milano