Arcobaleno

 

L’arcobaleno è un fenomeno ottico e meteorologico che produce uno spettro (quasi) continuo di luce nel cielo quando la luce del Sole attraversa le gocce d’acqua rimaste in sospensione dopo un temporale, o presso una cascata o una fontana.

Visivamente è un arco multicolore, rosso sull’esterno e viola sulla parte interna; la sequenza completa è rosso, arancione, giallo, verde, azzurro, indaco e violetto. In realtà i colori dell’arcobaleno sono sei, ma viene aggiunto l’indaco, che in realtà non è un colore e che è semplicemente una sfumatura di viola, semplicemente per arrivare al numero sette che è considerato più solenne. Esso è la conseguenza della dispersione e della rifrazione della luce solare contro le pareti delle gocce stesse.

In rari casi, un arcobaleno lunare, o notturno, può essere visto nelle notti di forte luce lunare. Ma, dato che la percezione umana dei colori in condizioni di poca luminosità è scarsa, gli arcobaleni lunari sono percepiti come bianchi.

Spiegazione scientifica

Gli arcobaleni possono essere osservati ogni qualvolta ci sono gocce di acqua nell’aria e luce solare che brilla da dietro l’osservatore ad una bassa altitudine o angolo. L’arcobaleno più spettacolare si può vedere quando metà del cielo è ancora scuro per le nuvole di pioggia e l’osservatore si trova in un punto con il cielo pulito sopra. L’effetto dell’arcobaleno è anche comune vicino alle cascate o alle fontane. A volte si possono vedere frange di arcobaleno ai bordi delle nuvole illuminate da dietro e come bande verticali nella pioggia distante o nelle virghe. L’effetto si può anche creare artificialmente disperdendo goccioline di acqua nell’aria durante un giorno soleggiato.

Raramente, un moonbow, un arcobaleno lunare, o arcobaleno notturno, si può vedere in notti fortemente illuminate dalla luna. Siccome la percezione visiva umana per i colori è bassa in condizioni di scarsa illuminazione, i moonbow vengono spesso percepiti come bianchi.

L’aspetto di un arcobaleno è provocato dalla dispersione ottica della luce solare che attraversa le gocce di pioggia. La luce viene prima rifratta quando entra nella superficie della goccia, riflessa sul retro della goccia e ancora rifratta come lascia la goccia. L’effetto complessivo è che la luce in arrivo viene riflessa in una larga gamma di angoli, con la luce più intensa riflessa con un angolo di 40°–42°. L’angolo è indipendente dalla dimensione della goccia, ma dipende dal suo indice di rifrazione. L’acqua del mare ha un indice più alto di quella della pioggia, quindi il raggio di un arcobaleno negli spruzzi di acqua di mare è più piccolo di quello di un arcobaleno di pioggia. Questo è visibile a occhio nudo dal disallineamento di questi due archi.

La quantità di luce che viene rifratta dipende dalla sua lunghezza d’onda, e quindi dal suo colore. La luce blu (onde più corte) viene rifratta ad un angolo più grande di quella rossa, ma siccome l’area nel retro di una gocciolina ha un punto focale al suo interno, lo spettro lo attraversa, e così la luce rossa appare più alta nel cielo, formando i colori esterni dell’arcobaleno. La luce dietro alle gocce di pioggia non va in riflessione interna totale e un poco di luce emerge dal retro; tuttavia, la luce che viene fuori dal retro della goccia non crea un arcobaleno tra l’osservatore e il sole perché lo spettro emesso dal retro non ha un massimo di intensità, come hanno gli altri arcobaleni visibili, e quindi i colori si mescolano tra loro piuttosto che formare un arcobaleno.

Un arcobaleno non è qualcosa di concreto che abbia esistenza effettiva in una particolare posizione del cielo. Si tratta solo di un fenomeno ottico la cui posizione apparente dipende dal punto in cui si trova l’osservatore e dalla posizione del sole. Tutte le gocce di pioggia rifrangono la luce solare nello stesso modo, ma solo la luce di alcune di esse raggiunge l’occhio dell’osservatore. Questa luce è quella che costituisce l’arcobaleno per quel determinato osservatore.
sempre leggermente più luminoso dell’esterno. Essendo il sole sempre alle spalle di chi osserva l’arcobaleno, quest’ultimo si troverà sempre a nord dell’osservatore nell’emisfero boreale e a sud in quello australe (beninteso, all’esterno della fascia dei tropici). L’arco è centrato sull’ombra della testa dell’osservatore, e più precisamente nel nadir (che si trova sotto all’orizzonte durante il giorno), apparendo ad un angolo di 40°–42° rispetto alla linea tra la testa dell’osservatore e la sua ombra. Come risultato, se il sole è più alto di 42°, allora l’arcobaleno si trova sotto l’orizzonte e non può essere visto siccome di solito non ci sono abbastanza goccioline di pioggia tra l’orizzonte (che è l’altezza degli occhi) e la terra per contribuirvi. Eccezioni avvengono quando l’osservatore si trova sopra la terra, per esempio su di un aeroplano (vedi figura), su di una montagna o su di una cascata. Un arcobaleno può essere generato utilizzando uno spruzzino da giardino, ma perché vi siano abbastanza gocce, esse devono essere molto fini.

È difficile fotografare l’arco completo di un arcobaleno, poiché questo richiede un angolo visivo di 84°. Con una fotocamera formato 35 mm, è necessaria una lente con una lunghezza focale di 19 mm, mentre la maggior parte delle fotocamere compatte è dotata di lenti con focale minima di 28 mm. Un sistema per aggirare questo limite è l’utilizzo di appositi programmi, facilmente reperibili in rete, che permettono di fare un “collage” di più immagini. Da un aeroplano, si ha l’opportunità di vedere un cerchio intero di arcobaleno, con l’ombra dell’aereo nel suo centro. Questo fenomeno potrebbe essere confuso con il fenomeno gloria, ma un gloria è solitamente molto più piccolo, coprendo solo 5°–20°.

Varianti

A volte un arcobaleno secondario, più scuro e più grosso, è visibile all’esterno dell’arco primario. Gli arcobaleni secondari sono provocati da una doppia riflessione della luce solare dentro le gocce di pioggia, e appare ad un angolo di 50°–53°. Come risultato della seconda riflessione, i colori dell’arcobaleno secondario sono invertiti in confronto a quelli del primario, con il blu all’esterno e il rosso all’interno. L’area scura di cielo non illuminato posta tra l’arcobaleno primario e quello secondario viene chiamata banda di Alessandro, da Alessandro di Afrodisia che la descrisse per primo.

Un terzo, o triplo, arcobaleno si può vedere in rare occasioni, e pochissimi osservatori hanno riportato l’avvistamento di arcobaleni quadrupli, nei quali l’arco più esterno, molto più fioco, aveva un aspetto increspato e pulsante. Questi arcobaleni apparirebbero dallo stesso lato nel cielo dove si trova il sole, rendendoli molto difficili da avvistare.

Altre volte può essere osservato un altro meraviglioso fenomeno di arcobaleno, consistente in diversi deboli arcobaleni nel lato interno del’arco primario e, molto raramente, anche all’esterno di quello secondario. Sono leggermente separati ed hanno bande di colori pastello che non entrano nello schema classico. Questi sono conosciuti come arcobaleni “supernumerosi”, e non è possibile spiegare la loro esistenza utilizzando la geometria ottica classica. I fiochi archi alternati sono provocati da interferenze tra i raggi di luce che seguono percorsi leggermente diversi con lunghezza d’onda leggermente diverse all’interno delle gocce di pioggia. Alcuni raggi sono in fase rinforzandosi l’un l’altro attraverso una interferenza costruttiva, creando una banda molto luminosa; altri sono fuori fase fino a mezza lunghezza d’onda, cancellandosi a vicenda attraverso interferenza distruttiva, creando un buco. Data la differenza tra gli angoli di rifrazione per raggi di diversi colori, i modelli dell’interferenza sono leggermente diversi per questi ultimi, così ogni banda luminosa è differenziata nel colore, creando un arcobaleno in miniatura. Gli arcobaleni supernumerosi sono meglio visibili quando le gocce di pioggia sono piccole e di dimensioni simili. L’esistenza reale di tale tipo di arcobaleno è stato storicamente un primo indizio della natura ondulatoria della luce e la prima spiegazione fu fornita da Thomas Young nel 1804.

Altre varianti di arcobaleno vengono prodotte quando la luce solare si riflette su una massa di acqua. Là dove la luce si riflette sull’acqua prima di raggiungere le gocce di pioggia, si produce un arcobaleno di riflesso. Questi arcobaleni condividono gli stessi punti finali del normale arcobaleno ma hanno un arco molto più grande quando tutto esso è visibile. Sia l’arco primario che quello secondario riflessi possono essere osservati.

Un arcobaleno riflesso, in contrasto, viene prodotto quando la luce che è stata prima riflessa dentro le gocce viene riflessa da una massa di acqua prima di raggiungere l’osservatore. Un arcobaleno riflesso non è una immagine specchiata dell’arco primario, ma è posizionata ad un angolo dipendente dall’altezza del sole. Entrambi i tipi si possono vedere nell’immagine a destra.

Cenni storici sugli studi sull’arcobaleno
Il filosofo greco Alessandro di Afrodisia nel II-III secolo descrive il fenomeno che si verifica quando si hanno due archi di arcobaleno: la zona di cielo al di sotto dell’arco principale, l’inferiore, appare più luminosa di quella al di sopra.

Si pensa che sia stato Qutb al-Din al-Shirazi (1236–1311), o forse il suo allievo Kamal al-din al-Farisi (1260–1320), ad aver dato per primo una descrizione abbastanza accurata del fenomeno dell’arcobaleno.

Nella prima metà del XIII secolo Ruggero Bacone misura l’angolo tra la luce incidente del Sole e la luce diffusa dai due archi ottenendo 138° e 130°.

Nel XIV secolo Teodorico di Freiberg ipotizza che il fenomeno dipenda dalla riflessione della luce solare e conduce esperimenti sopra bocce sferiche riempite d’acqua.

Marcantonio de Dominis pubblica nel 1611 l’opera Tractatus de radiis visus et lucis in vitris, perspectivis et iride sul telescopio e sull’arcobaleno: di questo dà una spiegazione convincente. Egli dichiara anche di aver condotto esperimenti simili a quelli di Teodorico di Freiberg, ma è fondato il sospetto che conoscesse antiche opere sull’argomento.

Cartesio, a partire dalle leggi di rifrazione che portano il suo nome (fra l’altro è sua la dotta dimostrazione matematica del perché l’arcobaleno ha forma semicircolare utilizzando il calcolo infinitesimale) presenta Les Météores del 1637 una spiegazione simile a quella di de Dominis senza citarlo, forse per non incorrere nella disubbidienza alla Damnatio memoriae pronunciata dalla Chiesa nei confronti dell’ex arcivescovo dalmata.

Isaac Newton riprende l’argomento nella sua opera Optics dando credito a de Dominis di aver spiegato il fenomeno per primo e in autonomia.

Storia degli studi sugli arcobaleni

L’astronomo persiano Qutb al-Din al-Shirazi (1236–1311), o forse il suo allievo Kamal al-din al-Farisi (1260–1320), si pensa che abbiano dato per primi una spiegazione ragionevolmente dettagliata per il fenomeno dell’arcobaleno. Il lavoro di Roberto Grossatesta sulla luce fu continuato da Ruggero Bacone, che scrisse nel suo Opus Majus del 1268 sugli esperimenti con la luce che passa attraverso cristalli e goccioline di acqua che mostrano i colori dell’arcobaleno. Teodorico di Freiberg è anche conosciuto per aver dato una spiegazione teorica accurata di entrambi gli arcobaleni, quello primario e quello secondario, nel 1307. Egli spiegò l’arcobaleno primario, notando che “quando la luce solare cade sulle singole gocce di umidità, i raggi subiscono due rifrazioni (una all’ingresso ed una all’uscita) ed una riflessione (sul retro della goccia) prima di essere trasmessa all’occhio dell’osservatore”. Spiegò l’arcobaleno secondario attraverso un’analisi simile che coinvolgeva due rifrazioni e due riflessioni.

Descartes, nel 1637, migliorò ulteriormente questa spiegazione. Sapendo che la dimensione delle gocce di pioggia non sembrava interessare l’arcobaleno osservato, egli sperimentò il passaggio di raggi di luce attraverso una grande sfera di vetro riempita di acqua. Misurando gli angoli dei raggi emergenti, egli concluse che l’arco primario era causato da una singola riflessione interna all’interno della goccia e che il secondario poteva essere causato da due riflessioni interne. Fu in grado di dedurre questo con una derivazione della legge della rifrazione (successivamente, ma indipendentemente da Snell) e calcolò correttamente gli angoli di entrambi gli archi. La sua spiegazione per i colori, tuttavia, era basata su una versione meccanica della teoria tradizionale secondo la quale i colori erano prodotti da una modifica della luce bianca.

Isaac Newton fu il primo a dimostrare che la luce bianca era composta dalla luce di tutti i colori dell’arcobaleno, che potevano essere separati in uno spettro completo di colori da un prisma di vetro, respingendo la teoria che i colori fossero prodotti da una modifica della luce bianca. Egli mostrò anche che la luce rossa veniva rifratta meno della luce blu, il che portò alla prima spiegazione scientifica delle principali caratteristiche dell’arcobaleno. La teoria corpuscolare di Newton non fu in grado di spiegare gli arcobaleni supernumerosi, ed una spiegazione soddisfacente non fu trovata prima che Thomas Young capisse che in certe condizioni la luce si comporta come un’onda, e può interferire con se stessa.

Il lavoro di Young fu perfezionato nel 1820 da George Biddell Airy, che spiegò come la forza dei colori dell’arcobaleno dipendesse dalla dimensione delle gocce di acqua. Le descrizioni fisiche moderne sono basate sullo Scattering Mie, un lavoro pubblicato da Gustav Mie nel 1908. I continui progressi nei metodi computazionali e nella teoria ottica portare ad una comprensione sempre più completa del fenomeno degli arcobaleni. Per esempio, una visione moderna dell’arcobaleno è stata offerta dal fisico brasiliano Herch Moysés Nussenzveig.

Arcobaleni in mitologia e religione
L’ arcobaleno ha avuto un posto nelle leggende dovuto alla sua bellezza e alla difficoltà nello spiegare il fenomeno, anche dopo gli studi antichi e prima che Galileo studiasse le proprietà della luce.
Nella Genesi 9:13, l’arcobaleno è un segno dell’unione tra Dio e l’umanità. Dopo che Noè sopravvive al diluvio universale nella storia dell’Arca di Noè Dio inviò un arcobaleno per promettere che non avrebbe mai più inviato un tale diluvio per distruggere la terra.
Nella mitologia greca, si tratta di un sentiero fatto da un messaggero (Iris) tra terra e paradiso.
Il nascondiglio segreto del folletto (leprechaun) Irlandese col suo pentolone pieno d’oro è generalmente alla fine di un arcobaleno.
Nella mitologia cinese, l’arcobaleno era una spaccatura nel cielo sigillata dalla dea Nüwa con pietre di sette colori differenti.
Nella mitologia Hindù, l’arcobaleno è chiamato Indradhanush- l’arco di Indra, il dio del fulmine e del tuono.
Nella mitologia norrena, un arcobaleno chiamato il ponte bifröst collega Ásgarðr e Miðgarðr, dimore di dei e umani, rispettivamente.

Gli Arcobaleni nella Cultura

L’arcobaleno ha un posto nelle leggende a causa della sua bellezza ed alla difficoltà di spiegare il fenomeno prima del lavoro di Descartes nel XVII secolo (anche se, come menzionato sopra, Teodorico di Freiberg aveva dato una spiegazione soddisfacente nel XIII secolo).

Nella mitologia greca, l’arcobaleno era considerato un fenomeno atmosferico affascinante e legato alle divinità.Nella mitologia cinese, l’arcobaleno era una fessura nel cielo bloccata dalla dea Nüwa utilizzando pietre di cinque diversi colori. Nella mitologia Hindu l’arcobaleno è chiamato Indradhanush, con il significato di arco di Indra, il dio del fulmine e del tuono.Nella mitologia norrena, un arcobaleno chiamato Ponte di Bifröst collega i regni di Ásgard e Midgard, case degli dei e degli uomini, rispettivamente. Il nascondiglio segreto del leprechaun irlandese per la sua pentola di oro si dice si trovi alla fine dell’arcobaleno (la quale è impossibile da raggiungere).

Nella Bibbia, l’arcobaleno è un simbolo del Patto tra Dio e l’uomo, e la promessa di Dio a Noè che non avrebbe mai più inondato l’intera Terra. L’arcobaleno è anche diventato il simbolo per un movimento moderno nella religione Ebraica chiamato B’nei Noah (figli di Noè). I B’nei Noah sono non-Ebrei che continuano a professare nel modo del loro antenato Noè. Il movimento di Noè ha le sue radici nella tradizione Ebrea, specificamente nel Talmud. Il Corpo di Arcobaleno è un concetto importante nel Buddismo Tibetano.

Arcobaleni nell’arte e nella fotografia
Molti pittori hanno rappresentato l’arcobaleno. Frequentemente questi hanno una importanza simbolica o programmatica. (Vedi, per esempio, la Melencolia I di Albrecht Dürer). In particolare, l’arcobaleno appare spesso nell’arte religiosa (Vedi L’offerta di ringraziamento di Noè di Joseph Anton Koch e il Giudizio Finale di Roger van der Weyden mostrate sotto). Tuttavia, i pittori di paesaggi del Romanticismo come William Turner e John Constable si sono preoccupati maggiormente nel registrare gli effetti momentanei della luce (Vedi ad esempio la Cattedrale di Salisbury dai Prati di Constable). Altri esempi degni di nota appaiono in lavori di Hans Memling, Caspar David Friedrich e Pieter Paul Rubens.

L’arcobaleno è il soggetto preferito dei fotografi, fino ad un limite tale per cui i fotografi di arcobaleni sembrano più ordinari degli stessi arcobaleni. A volte, una foto di arcobaleno è sorprendentemente artistica e bella, come l'”Harpe de Lumière” di Georges Noblet mostrata sotto.

Colori Principali : Rosso , Arancio , Giallo , Verde , Blu , Viola e Indaco .