0080. Perché il sole e l’arcobaleno si trovano sempre in posizioni opposte del cielo?

Ho notato che gli arcobaleni appaiono solo se si ha il sole alle spalle. C'è una ragione o nel mio caso sono stato sempre sfortunato? Sono fotografo e vorrei fotografare l'arcobaleno con il sole sullo sfondo. (Alessandro Pobba)

L’arcobaleno si forma quando ci sono gocce d’acqua sospese nell’atmosfera le quali hanno la funzione di un prisma dispersivo e di un prisma a riflessione totale. La luce bianca del sole è composta da radiazioni di diversa frequenza, che corrispondono ai diversi colori nella percezione del nostro occhio L’insieme di questi colori che vanno dal violetto (frequenza più alta) al rosso (frequenza più bassa) costituisce lo spettro visibile . La luce, penetrando nella goccia d’acqua, subisce una deviazione, chiamata rifrazione , leggermente diversa per ogni frequenza. La luce bianca si scompone così in 7 colori (violetto, indaco, azzurro, verde, giallo, arancione e rosso). Se dentro la goccia i raggi incidono sulla superficie opposta con un angolo superiore a quello limite, ha luogo la riflessione totale. Così i raggi ripercorrendo nuovamente la goccia escono dalla stessa parte da cui sono entrati accentuando la separazione dei colori (vedi la figura 1).

L’angolo tra il raggio di sole incidente sulla goccia e la radiazione rossa che da questa emerge dopo la riflessione totale è di ~42^o, per quella violetta è di ~40^o. Di conseguenza, essendo tutti i colori dell’arcobaleno contenuti tra il rosso e il violetto, l’angolo della loro deviazione è compreso tra questi due valori. L’arcobaleno è quindi visibile soltanto quando le gocce in sospensione nell’aria davanti a noi sono illuminate dal sole posizionato alle nostre spalle (a causa della riflessione totale dei raggi nelle gocce) e quando il sole ha una certa inclinazione rispetto all’orizzonte (a causa dell’angolo tra i raggi incidenti del sole e i raggi emergenti dalle gocce). È importante notare che la posizione del sole rispetto all’orizzonte non può essere superiore a 42^o. Al di sotto di questo valore, più basso si trova il sole, più alto sarà l’arcobaleno. Raramente si può anche osservare l’arcobaleno doppio. Questo fenomeno è dovuto alla doppia riflessione totale nelle gocce (vedi la figura 2).

Chi ha osservato questo fenomeno, sicuramente ha notato che l’arco esterno è molto meno luminoso e che la sequenza dei colori è rovesciata rispetto a quello interno (vedi la figura 3).

In effetti il percorso più lungo dei raggi all’interno della goccia d’acqua determina un maggiore assorbimento della sua energia causando la perdita della luminosità. Inoltre la successione dei colori risulta invertita perché l’angolo tra i raggi del sole e la radiazione rossa che emerge dalle gocce (~50^o) è inferiore all’angolo di quella violetta (~54^o). In conclusione il nostro web-nauta non è quindi particolarmente sfortunato, ma non potrà mai effettuare la foto desiderata con il Sole davanti alla sua macchina fotografica.

Halina Bilokon - Fisico

Nota redazionale SxT: è possibile fotografare la Luna sullo sfondo dell’arcobaleno? Cosa pensano i nostri web-nauti? Nel caso, pubblicheremo sul sito le foto dei nostri lettori e premieremo le migliori con un libro.