COME LA LUCE FORMA L'ARCOBALENO

Probabilmente ognuno di voi ha già assistito molte volte a questo tipo di fenomeno, dopo un violento temporale, oppure vicino ad un impianto per l'irrigazione. I fattori determinanti affinché si verifichi sono: una sorgente luminosa (normalmente il Sole), un numero sufficiente di gocce d'acqua e, ovviamente, un osservatore posto tra i primi due elementi in particolari condizioni geometriche.

Ciò che questo osservatore vede è un arco luminoso che presenta una colorazione sfumata, classificata per semplicità nei sette colori fondamentali: dal lato più interno, quello più vicino al centro dell'arco, verso quello più esterno si succedono, senza una distinzione ben precisa, violetto, indaco, blu, verde, giallo, arancio e rosso.

A volte, concentrico ed esterno al primo arcobaleno, detto Primario (I), è osservabile un secondo arco colorato, detto arcobaleno Secondario (II), con colori meno intensi e disposti in ordine inverso (rosso all'interno e violetto all'esterno); il centro dei due archi (C) è situato sulla congiungente il Sole e l'osservatore (retta c) che, per rendersi conto del fenomeno, deve volgere le spalle alla sorgente luminosa.

Nel 1637 Cartesio enunciò la prima dimostrazione del fenomeno, alla cui comprensione portarono in seguito contributi I. Newton, T. Young e soprattutto G.B. Airy che nel 1831 ne diede una definitiva formulazione. Qui ne viene data una spiegazione semplificata:

Il fenomeno è causato dalla rifrazione, riflessione e dispersione dei raggi di Sole incidenti sulle gocce d'acqua di una nube che si risolve in pioggia, ma può anche essere osservato collocandosi opportunamente rispetto ad una fontana o a un getto irrorante o a qualsiasi altra sorgente di goccioline d'acqua in sospensione nell'aria. Un raggio di luce SI incidente su una goccia dapprima si rifrange in I poi, giungendo in G con un angolo superiore al valore dell'angolo limite, subisce una riflessione totale e una seconda rifrazione nell'emergere dalla goccia nel punto R, arrivando all'osservatore in O secondo la direzione RO, il cui prolungamento incontra quello della direzione SI in A.
L'angolo SAO dà la deviazione subita dal raggio SI attraversando la goccia, deviazione che dipende dall'angolo di incidenza SAB, altezza del Sole sull'orizzonte, e che passa per un valore minimo a cui corrisponde la massima concentrazione di energia. L'angolo di deviazione minima è funzione della lunghezza d'onda (colore) della luce: vale 139° per il violetto e 137° per il rosso; dato che l'angolo varia con il variare del colore, ognuna delle componenti che insieme formano la luce bianca del Sole viene deviata in modo leggermente diverso; così la luce bianca si divide nei colori dello spettro dell'iride.
L'angolo di deviazione minima è funzione della lunghezza d'onda (colore) della luce: vale 139° per il violetto e 137° per il rosso; dato che l'angolo varia con il variare del colore, ognuna delle componenti che insieme formano la luce bianca del Sole viene deviata in modo leggermente diverso; così la luce bianca si divide nei colori dello spettro dell'iride. Con un valore di deviazione medio di 138°, ne consegue che l'arcobaleno primario si forma su un cono avente angolo al vertice di 42°. L'arcobaleno secondario si spiega considerando che un raggio rifratto può subire entro la goccia due riflessioni totali (G e G'). In questo caso si ha incrocio tra il raggio incidente e quello emergente cosicché la sequenza dei colori appare invertita (ogni riflessione introduce un'inversione: pensate cosa succede di fronte ad uno specchio...).