Buzz
Cầu vồng, mống, quang phổ hay rainbow là hiện tượng tán sắc của ánh sáng từ Mặt Trời khi khúc xạ và phản xạ qua các giọt nước mưa.
Ở nhiều nền văn hóa khác nhau, cầu vồng xuất hiện được coi là mang đến điềm lành cho nhân thế.
Tùy vào số lần phản xạ mà người ta phân ra làm cầu vồng bậc 1, bậc 2... Trong đó cầu vồng bậc 1 là rõ nhất (chỉ có 1 lần phản xạ nên năng lượng sáng mạnh nhất). Thường cầu vồng nhìn thấy là cầu vồng bậc 1. Tuy nhiên đôi khi ta còn quan sát thêm được cầu vồng bậc 2 mà trật tự màu sắc lại ngược lại với cầu vồng bậc 1 và cường độ sáng yếu hơn. Cầu vồng bậc 2 chỉ xảy ra khi các tia sáng bị khúc xạ hai lần. Giữa các cầu vồng tồn tại khoảng đai vòng tối gọi là dải Alexander.
Trái Đất có dạng cong nên chúng ta chỉ có thể thấy một nửa của cầu vồng, tập trung vào một đường thẳng từ Mặt Trời đến mắt của người quan sát. Chỉ khi quan sát từ vệ tinh hoặc tàu vũ trụ mới có thể nhìn thấy toàn bộ hình dạng của cầu vồng.
Bởi vì cầu vồng được nhìn từ cùng một góc độ (gần 42 độ đối với cầu vồng prim và 53 độ với cầu vồng thứ hai), là góc mà cường độ sáng của tất cả các tia mặt trời thông qua giọt nước là đạt đỉnh cao, nên cầu vồng có hình dạng của một vòng tròn.
Tổng quan
Cầu vồng không tồn tại ở một vị trí cụ thể từ người quan sát, mà nó là một hiện tượng quang học được tạo ra bởi bất kỳ giọt nước nào nhìn từ một góc độ nhất định so với nguồn sáng. Do đó, cầu vồng không phải là một đối tượng vật lý và không thể tiếp cận trực tiếp. Thực ra, người quan sát không thể nhìn thấy cầu vồng từ bất kỳ giọt nước nào ở góc độ ngoài góc nhìn thông thường là 42 độ so với hướng của nguồn sáng. Ngay cả khi một người quan sát nhìn thấy một người quan sát khác có vẻ 'ở dưới' hoặc 'ở cuối' của cầu vồng, thì người quan sát thứ hai sẽ nhìn thấy một cầu vồng khác ở góc nhìn của mình so với người quan sát đầu tiên.
Cầu vồng mê hoặc với dải màu liên tục. Mọi sắc màu mà bạn nhìn thấy là kết quả của thị giác con người, không có màu nào tồn tại trong hình ảnh đen trắng của cầu vồng, chỉ có sự gia tăng độ sáng lên tới cực độ, rồi dần phai mờ đi. Bảy màu được nhớ đến nhiều nhất là đỏ, cam, vàng, xanh lá cây, xanh dương, chàm, tím.
Cầu vồng có thể được tạo ra bởi nhiều loại mưa trong không khí, từ mưa đến sương, phùn và sương mù.
Giải thích
Khi ánh sáng Mặt Trời chạm vào hạt mưa, một phần ánh sáng bị phản xạ và phần còn lại đi vào hạt mưa. Ánh sáng bị khúc xạ trên bề mặt của hạt mưa. Khi ánh sáng này chiếu vào phía sau của hạt mưa, một số ánh sáng bị phản xạ lại từ phía sau. Khi ánh sáng phản xạ bên trong tiếp tục chạm vào bề mặt lần nữa, một phần bị phản xạ bên trong và một phần bị khúc xạ khi thoát ra (Ánh sáng phản xạ từ giọt nước, thoát ra từ phía sau hoặc tiếp tục phản xạ xung quanh bên trong giọt nước sau lần chạm thứ hai với bề mặt, không liên quan đến sự hình thành của cầu vồng chính). Hiệu ứng tổng thể là một phần của ánh sáng tới được phản xạ trở lại trong khoảng từ 0° đến 42°, với điểm cực độ sáng nhất ở góc 42°. Góc này không phụ thuộc vào kích thước của giọt nước, nhưng lại phụ thuộc vào chỉ số khúc xạ của nó. Nước biển có chỉ số khúc xạ cao hơn nước mưa, do đó bán kính của 'cầu vồng' trong mưa biển nhỏ hơn cầu vồng thường. Điều này có thể nhìn thấy bằng mắt thường khi các cung được sắp xếp không đúng.
Lý do ánh sáng sáng nhất ở khoảng 42° là vì đây là điểm quan trọng - ánh sáng chiếu vào vòng ngoài cùng của giọt được phản hồi dưới 42°, cũng như ánh sáng chiếu vào điểm rơi gần trung tâm của nó. Có một dải ánh sáng tròn mà tất cả được phản lại ngay khoảng 42°. Nếu Mặt Trời là một tia laser phát ra ánh sáng song song, các tia đơn sắc, thì độ chói (độ sáng) của cung sẽ có xu hướng vô hạn ở góc này (bỏ qua các hiệu ứng giao thoa). Nhưng vì độ chói của Mặt Trời có hạn và các tia không song song (nó bao phủ khoảng một nửa của bầu trời) độ chói không đi đến vô tận. Hơn nữa, lượng ánh sáng bị khúc xạ phụ thuộc vào bước sóng của nó và do đó màu sắc của nó. Hiệu ứng này được gọi là khuếch tán. Ánh sáng xanh (bước sóng ngắn hơn) bị khúc xạ ở góc lớn hơn ánh sáng đỏ, nhưng do sự phản xạ của các tia sáng từ phía sau của giọt nước, ánh sáng xanh từ giọt nước phát ra ở góc nhỏ hơn so với tia sáng trắng ban đầu. Do góc này, màu xanh được nhìn thấy ở bên trong vòng cung của cầu vồng chính và màu đỏ ở bên ngoài. Kết quả của điều này không chỉ là đưa ra các màu sắc khác nhau cho các phần khác nhau của cầu vồng, mà còn làm giảm độ sáng. (Một 'cầu vồng' được hình thành bởi các giọt chất lỏng không có sự khuếch tán sẽ có màu trắng, nhưng sáng hơn cầu vồng bình thường).
Ánh sáng từ phía sau của hạt mưa không phải là phản xạ hoàn toàn và một số ánh sáng phát ra từ phía sau. Tuy nhiên, ánh sáng từ phía sau hạt mưa không tạo ra cầu vồng giữa người quan sát và Mặt Trời vì quang phổ phát ra từ phía sau hạt mưa không có độ sáng tối đa như những cầu vồng khác nhìn thấy và do đó các màu sắc hòa trộn với nhau hơn là tạo thành cầu vồng.
Không có cầu vồng nào tồn tại ở một địa điểm cụ thể. Nhiều cầu vồng tồn tại; tuy nhiên, chỉ có thể nhìn thấy một cầu vồng tùy thuộc vào góc nhìn cụ thể của người quan sát với các giọt ánh sáng được chiếu sáng bởi Mặt Trời. Tất cả các hạt mưa khúc xạ và phản xạ ánh sáng từ Mặt Trời theo cùng một cách, nhưng chỉ có ánh sáng từ một số hạt mưa lọt vào mắt người quan sát. Ánh sáng này là thứ tạo nên cầu vồng cho người quan sát đó. Toàn bộ hệ thống bao gồm các tia Mặt Trời, mắt người quan sát và giọt nước (hình cầu) có sự đối xứng với trục của mình xung quanh trục qua đầu của người quan sát và song song với tia Mặt Trời. Cầu vồng bị uốn vì tập hợp tất cả các giọt mưa có góc giữa mắt người quan sát, giọt nước và Mặt Trời, nằm trên một hình nón chỉ vào Mặt Trời với người quan sát ở đầu. Đế của hình nón tạo thành một vòng tròn ở góc 42 độ so với đường thẳng giữa đầu của người quan sát và bóng của họ nhưng 50% hoặc hơn vòng tròn dưới đường chân trời, trừ khi người quan sát đủ xa trên bề mặt Trái Đất xem tất cả, ví dụ trong một chiếc máy bay (xem ở trên). Ngoài ra, một người quan sát với điểm thuận lợi bên phải có thể nhìn thấy vòng tròn đầy đủ trong một đài phun nước hoặc thác nước.
Chứng minh từ toán học
Góc nhận biết của cầu vồng phụ thuộc vào các yếu tố sau.
Đưa ra một giả thuyết về hạt mưa hình cầu và xác định góc nhận biết của cầu vồng là 2φ , và góc phản xạ bên trong là 2β , sau đó xác định góc tới của tia sáng mặt trời đối với bề mặt bình thường của giọt nước là 2β - φ . Bởi vì góc khúc xạ là β , Định luật Snell cho thấy chúng ta
- sin (2β - φ ) = n sin
β ,
trong đó n = 1.333 là chiết suất của nước. Giải quyết φ , chúng ta nhận được
- = 2β - arcsin ( n sin β ).
Cầu vồng sẽ xuất hiện khi góc φ đạt giá trị tối đa đối với góc β . Do đó, từ tính toán, ta có thể đặt dφ / dβ = 0 và giải cho β , dẫn đến
Thay vào đó, áp dụng phương trình trước đó cho φ cho kết quả 2φ max ≈ 42 ° là góc bán kính của cầu vồng.
Các màu sắc
Cầu vồng có nhiều màu sắc đa dạng, trong đó có 7 màu chính là đỏ, cam, vàng, xanh lá, lam, chàm, tím. Các loại bức xạ như hồng ngoại và tử ngoại nằm ngoài phạm vi ánh sáng mà con người có thể nhìn thấy, vì vậy chúng không được hiển thị. Thông thường, cầu vồng có màu sắc rực rỡ với các sắc độ khác nhau. Màu sắc của chúng có thể được minh họa như sau:
| Đỏ | Cam | Vàng | Lục | Lam | Chàm | Tím |
