การเกิดรุ้ง

การเกิดรุ้ง

ปรากฎการณ์รุ้งกินน้ำ เป็นปรากฎการณ์ทางธรรมชาติที่หยดน้ำฝนหรือละอองน้ำทำหน้าที่ปริซึมหักเหแสงจากดวงอาทิตย์ที่ส่องลงมาจะเกิดการหักเหทำให้เกิดเป็นแถบสีบนท้องฟ้า เรียกว่าการกระจายแสง

การกระจายแสงเกิดขึ้นเพราะแสงแต่ละสีมีความถี่ไม่เท่ากัน ทำให้ดัชนีหักเหสำหรับแสงแต่ละสีไม่เท่ากัน ส่งผลให้การหักเหแสงภายในหยดน้ำแตกต่างกัน

แสงอาทิตย์หรือรังสีที่ตามมองเห็น (Visible light) มีความยาวคลื่น 400 – 800 นาโนเมตร โดยที่แสงสีม่วงมีความยาวคลื่นสั้นที่สุดคือ 400 นาโนเมตร และแสงสีแดงมีความยาวคลื่นมากที่สุด ภายหลังฝนตกมักจะมีละอองน้ำหรือหยดน้ำเล็กๆ ลอยอยู่ในอากาศ จะทำหน้าที่เสมือนปริซึมหักเหแสงอาทิตย์ (White light) ให้แยกออกเป็นสเปกตรัม 7 สี ได้แก่ ม่วง คราม น้ำเงิน เขียว เหลือง แสด แดง โดยถ้าแสงอาทิตย์ทำมุมกับหยดน้ำแล้วหักเหเป็นมุม 40°เข้าสู่แนวสายตา ก็จะมองเห็นเป็นแสงสีม่วง แต่ถ้าแสงอาทิตย์ทำมุมกับหยดน้ำแล้วหักเหเป็นมุม 42°เข้าสู่แนวสายตา ก็จะมองเห็นเป็นแสงสีแดง

ประเภทของรุ้งกินน้ำ

การเกิดรุ้งกินน้ำมี 2 ประเภทคือ

• รุ้งปฐมภูมิเป็นรุ้งตัวล่าง เกิดจากแสงขาวส่องทางด้นบนของละอองน้ำ เกิดการหักเห จากนั้นสะท้อนกลับหมดภายในหยดน้ำ 1 ครั้ง และหักเหออกสู่อากาศเข้าสู่นัยน์ตาของผู้สังเกต รุ้งปฐมภูมินี้จะเห็นสีแดงอยู่บน และสีม่วงอยู่ด้านล่าง
• รุ้งทุติยภูมิเป็นรุ้งตัวบน เกิดจากแสงขาวส่องทางด้านล่างของละอองน้ำ เกิดการหักเห จากนั้นสะท้อนกลับหมดภายในหยดน้ำ 2 ครั้ง และหักเหออกสู่อากาศเขาสู่นัยน์ตาของั้งเกต รุ้งทุติยภูมินี้จะเห็นสีม่วงอยู่บนและสีแดงอยู่ด้านล่าง

การมองเห็นรุ้ง

Aristotle คือนักวิทยาศาสตร์คนแรกที่ได้พยายามอธิบายที่มาของรุ้งกินน้ำว่า เกิดจากการสะท้อนแสดงอาทิตย์โดยก้อนเมฆ และการที่เราเห็นรุ้งกินน้ำโค้งนั้นเพราะแสงอาทิตย์ที่สะท้อนมาเข้าตา เราทำมุมเฉพาะมุมหนึ่งกับเมฆ และเมื่อถ้าทุกรังสีเวลา สะท้อนทำมุมๆ นั้นเท่ากันหมด เราจึงเห็นรุ้งกินน้ำโค้งเป็นรูปครึ่งวงกลม คำอธิบายของ Aristotle จึงมีส่วนถูกในประเด็นที่ว่า ตำแหน่งของเมฆ มิได้เป็นกำหนดการเกิดรุ้งแต่ทิศที่แสงสะท้อนมาเข้าตาเรา ต่างหากที่เป็นตัวกำหนดตำแหน่งและลักษณะของรุ้งกินน้ำ

Roger Bacon เป็นนักวิทยาศาสตร์คนแรกที่พบว่า รุ้งปฐมภูมิอยู่สูงกว่าระดับสายตาของคนดูประมาณ 42 องศาเสมอ และรุ้งกินน้ำชนิดทุติยภูมิจะอยู่สูงขึ้นไปอีกประมาณ 8 องศาคือ 50 องศา แต่ในปัจจุบันนี้การวัดมุมแสดงตำแหน่งของรุ้งกินน้ำ มานิยมวัดสวนทิศกับที่ Bacon วัด ดังนั้น มุมของรุ้งกินน้ำทั้งสองจึงเป็น 180-42 = 138 องศา และ 180-50 = 130 องศา ตามลำดับ

หลังจากที่ Aristotle ได้ศึกษารุ้งกินน้ำแล้ว อีก 1,700 ปีต่อมาก็ไม่มีใครสนใจศึกษาเรื่องนี้อีกเลย จนกระทั่งถึงปี พ.ศ. 1847 บาทหลวงชาวเยอรมันคนหนึ่งชื่อ Theodoric แห่งเมือง Freibury ได้ปฏิเสธความคิดของ Aristotle ที่ว่ารุ้งกินน้ำเกิดจาก การสะท้อนของแสงอาทิตย์โดยกลุ่มหยดน้ำฝนในก้อนเมฆเมื่อ Theodoric สร้างถังแก้วรูปทรงกลมที่มีขนาดใหญ่แล้วบรรจุน้ำเต็ม เขาได้ทดสอบทฤษฎีของเขาโดยการฉายแสงเข้าไปในน้ำในถังแก้ว ความโปร่งใสของน้ำทำให้เขาสามารถเห็นเส้นทางเดินของน้ำ ในถังได้ด้วยตาตั้งแต่ต้นจนกระทั่งแสงทะลุผ่านถังแก้วไป และเขาก็ได้พบว่าเพียงถังแก้วถังเดียว เขาก็สามารถทำให้เกิดรุ้งได้แล้ว โดยไม่ต้องใช้ถังเป็นล้านๆ ถัง Theodoric จึงคิดว่ารุ้งกินน้ำสามารถเกิดจากหยดน้ำฝนเพียงหนึ่งหยดได้

การค้นพบของ Theodoric นี้ไม่มีใครสนใจเลย จนกระทั่งถึง 300 ปีต่อมา เมื่อ R. Descartes อ่านผลงานของ Theodoric และได้พัฒนาความคิดเรื่องรุ้งกินน้ำต่อ Descartes ได้แสดงให้เห็นว่า รุ้งปฐมภูมิเกิดเมื่อแสงอาทิตย์สะท้อนภายในหยดน้ำ หนึ่งครั้งและรุ้งทุติยภูมิเกิดเมื่อแสดงอาทิตย์สะท้อนที่ผิวภายในหยดน้ำสองครั้ง เพราะเหตุว่าในการสะท้อนแต่ละครั้ง แสงบางส่วน จะหายไป ดังนั้นเมื่อรุ้งทุติยภูมิเกิดจากการสะท้อนแสงอีกครั้ง รุ้งทุติยภูมิจึงมีความเข้มที่เจือจางยิ่งกว่ารุ้งปฐมภูมิตามที่ตาเห็น

ทำไมรุ้งถึงเป็นเส้นโค้ง?

รุ้งกินน้ำที่เกิดขึ้นทำใมถึงมีลักษณะโค้งก็เนื่องมาจากหยดน้ำที่ทำ ให้เกิดรุ้งกินน้ำนั้นมีลักษณะกลม และผู้สังเกตจะพบว่า เวลาเรามองดูรุ้งกินน้ำขณะที่เราอยู่บนพื้นดิน เราจะเห็นเพียงครึ่งวงกลมเท่านั้น เนื่องจากรัศมีในการมองเห็นของแสงที่สะท้อน แต่ถ้าหากผู้สังเกตอยู่บนที่สูงเช่นยอดเขา หรือหากให้ดีบนเครื่องบินผู้สังเกตอาจพบเห็นรุ้งกินน้ำเป็นวงกลม

ที่มา https://www.scimath.org/lesson-physics/item/7312-2017-06-14-15-39-08