Choć tęcza na niebie fascynowała człowieka od zawsze, pierwsze ogólnie poprawne wytłumaczenie fizyki tęczy dał światu perski astronom, Qutb al-Din al-Shirazi w XIII wieku.
Aby zobaczyć tęcze potrzebny jest ekran w postaci kropel wody, najlepiej dużej chmury lub ściany deszczu oraz oświetlenie słoneczne zza pleców obserwatora. Tęcza nie istnieje jako obiekt fizyczny, jest iluzją optyczną, która powstaje w wyniku rozszczepienia światła na zbliżonych do kulistych kropelkach wody.
Promień słoneczny wpada do kropelki, odbija się od tylnej jej ‚ścianki’ i wypada w kierunku obserwatora pod kątem 42 stopni. Taki kąt jest właściwy dla słodkiej wody. Dla porównania na Tytanie, jednym z księżyców Saturna ekranem dla tęczy byłyby kropelki ciekłego metanu, które odbijałyby światło pod kątem 49 stopni. Nawiasem mówiąc, to jedyny poza Ziemią obiekt w Układzie Słonecznym, na którym tęcza mogłaby naturalnie występować.
Skoro cały ekran odbija światło, to dlaczego właściwie tęcza jest łukiem, a nie prostą? Do kropel wody wpada wiele promieni słonecznych i jest odbijanych na różne strony. Światło tęczy jest wysoce spolaryzowane. To takie samo zjawisko, dzięki któremu można oddzielić obraz dla oka lewego od obrazu dla oka prawego w kinie 3D. Oznacza to, że choć ekran odbija rozszczepione światło w różnych kierunkach, to obserwator widzi je tylko pod kątem 42 stopni, stąd zagięcie łuków, niczym od śladu cyrkla ustawionego na odpowiednie rozwarcie.
Cyrklem rysujemy okręgi, tak też jest z tęczą, tylko trzeba być odpowiednio wysoko lub znajdować się w odpowiednio ukształtowanym terenie, żeby to zobaczyć. Zwykle widzimy tylko fragment okręgu. Natomiast jest to zawsze nasza własna tęcza. Ktoś stojący obok widzi już inną jej wersję.
A dlaczego okrąg a nie koło? To już wyłącznie ograniczenie naszego aparatu wzrokowego, który rejestruje tylko część fal elektromagnetycznych. Gdybyśmy mieli czulszą aparaturę, to nad skrajną zewnętrzną barwą czerwona widzielibyśmy pasy podczerwieni, a pod skrajną wewnętrzną barwą fioletową pasy ultrafioletu.
Źródło grafiki: (C) Piotr Mańkowski
Można jeszcze dodać o występowaniu tęczy wtórnej (zawsze widziałam ją położoną nad główną) w której barwy są odwrócone. Oczywiście nie zapominajmy, że na końcu tęczy siedzi gnom z garncem złota…