Arcobaleno: come si formano i colori e quali sono

“Arcobaleno” è il termine italiano che indica un fenomeno ottico causato dalla rifrazione e dalla dispersione della luce solare attraverso le goccioline d’acqua presenti nell’aria

In particolare, quando la luce bianca del sole attraversa una goccia d’acqua, la luce viene rifratta, ovvero deviata dalla sua traiettoria originale. Inoltre, la luce bianca viene scomposta in diverse lunghezze d’onda, ovvero i colori che la compongono, grazie all’effetto della dispersione della luce.

Questo processo di rifrazione e dispersione avviene in modo diverso per i vari colori della luce, in quanto ciascun colore ha una lunghezza d’onda diversa. I colori della luce che vengono deviati di più all’interno della goccia d’acqua sono quelli con lunghezza d’onda più corta, ovvero il viola e il blu. I colori con lunghezza d’onda più lunga, come il rosso, vengono deviati meno.

L’insieme di tutte le lunghezze d’onda che compongono la luce bianca del sole viene quindi scomposto in un arco di colori che va dal rosso al viola, creando l’arcobaleno.

L’arcobaleno appare quando l’osservatore si trova tra la sorgente di luce (il sole) e le goccioline d’acqua che rifrangono la luce. Per questo motivo, l’arcobaleno appare solitamente dopo una pioggia, quando le gocce d’acqua sono ancora presenti nell’aria. Inoltre, l’arcobaleno appare sempre come un cerchio completo, ma solo una parte dell’arco è visibile a seconda dell’angolo di osservazione dell’osservatore.

L’arcobaleno nella storia della scienza

Teodorico di Freiberg (noto anche come Dietrich von Freiberg) formulò un’ipotesi sulla formazione dell’arcobaleno in termini di rifrazione della luce solare attraverso le gocce d’acqua nell’aria. Teodorico di Freiberg era un filosofo e teologo tedesco che visse nel XIII e XIV secolo. Nel suo trattato “De iride et radialibus impressionibus” (Sull’arcobaleno e le impressioni luminose radiali), Teodorico spiegò come la luce del sole si separa in diversi colori quando passa attraverso le gocce d’acqua nell’aria, e come questa separazione causa la formazione dell’arcobaleno. In particolare, Teodorico sosteneva che quando la luce solare entra in una goccia d’acqua, viene rifratta, ovvero deviata, e separata in diversi colori. Successivamente, la luce rifratta esce dalla goccia d’acqua, e viene rifratta nuovamente quando passa attraverso l’aria. Questa doppia rifrazione e separazione dei colori causa la formazione dell’arcobaleno. L’ipotesi di Teodorico sulla formazione dell’arcobaleno attraverso la rifrazione della luce solare attraverso le gocce d’acqua è stata successivamente confermata e approfondita dalla scienza moderna, ed è ancora considerata una delle spiegazioni più accurate del fenomeno dell’arcobaleno.

Marco Antonio de Dominis, un teologo e scienziato dalmata, pubblicò l’opera “Tractatus de radiis visus et lucis in vitris, perspectivis et iride” nel 1611, in cui discuteva del telescopio e dell’arcobaleno. In questa opera, de Dominis propose una spiegazione più dettagliata e convincente della formazione dell’arcobaleno rispetto a quella di Teodorico di Freiberg. De Dominis sosteneva che la luce del sole, una volta entrata in una goccia d’acqua, subisce una serie di riflessioni interne e rifrazioni, causando la separazione della luce in diversi colori. Questa separazione avviene perché i diversi colori di luce vengono rifratti in modo leggermente diverso a seconda della loro lunghezza d’onda, e questo effetto è amplificato dalle riflessioni interne. De Dominis aveva condotto anche una serie di esperimenti sulle gocce d’acqua e sulla luce per testare la sua teoria. Tuttavia, c’è stata anche l’accusa che de Dominis avesse preso spunto da antiche opere, tra cui quelle di Teodorico di Freiberg, per formulare la sua teoria sull’arcobaleno. Nonostante le controversie sulla sua originalità, l’opera di de Dominis ha fornito importanti contributi alla comprensione scientifica dell’arcobaleno, e la sua teoria sulla separazione della luce attraverso la rifrazione è stata successivamente confermata e approfondita dalla scienza moderna.

Cartesio, il celebre filosofo e scienziato francese, contribuì notevolmente alla comprensione scientifica dell’arcobaleno nel suo trattato “Les Météores” pubblicato nel 1637. In questo lavoro, Cartesio migliorò ulteriormente la spiegazione dell’arcobaleno fornita da de Dominis, utilizzando le sue leggi di rifrazione e la matematica del calcolo infinitesimale per dimostrare la forma semicircolare dell’arcobaleno. Cartesio spiegò come la luce solare, una volta entrata in una goccia d’acqua, subisca una rifrazione, una riflessione interna e una nuova rifrazione prima di emergere dalla goccia d’acqua. Questi processi causano la separazione della luce in diversi colori, come avevano già notato Teodorico di Freiberg e de Dominis. Tuttavia, la grande innovazione di Cartesio fu quella di dimostrare matematicamente perché l’arcobaleno ha una forma semicircolare. Utilizzando le sue leggi di rifrazione, Cartesio dimostrò che la luce solare deviata dalle gocce d’acqua forma un angolo costante di circa 42 gradi rispetto alla direzione opposta al sole. Questo angolo costante, insieme alla posizione del sole rispetto all’osservatore, causa la formazione della caratteristica forma semicircolare dell’arcobaleno. Curiosamente, Cartesio non menzionò il lavoro di de Dominis nella sua trattazione, e alcuni studiosi suggeriscono che abbia evitato di citare il suo predecessore per evitare di incorrere nella disapprovazione della Chiesa nei confronti dell’ex arcivescovo dalmata. Tuttavia, la teoria di Cartesio sull’arcobaleno rappresentò un notevole passo avanti nella comprensione scientifica del fenomeno e ha influenzato la ricerca sulla luce e la rifrazione per secoli a venire.

Isaac Newton rappresenta uno dei maggiori contributi alla comprensione scientifica dell’arcobaleno nella storia della scienza. Nel suo lavoro “Opticks” del 1704, Newton attribuì a Marco Antonio de Dominis il merito di aver spiegato per primo il fenomeno dell’arcobaleno, ma sviluppò ulteriormente la sua teoria.

Newton fu il primo a dimostrare che la luce bianca è composta da una mescolanza di tutti i colori dell’arcobaleno, e che la luce può essere separata in uno spettro completo di colori da un prisma di vetro.

Egli dimostrò che la luce rossa viene rifratta meno della luce blu, portando alla prima spiegazione scientifica delle principali caratteristiche dell’arcobaleno. Newton scoprì anche che il numero di colori dell’arcobaleno era maggiore di quanto inizialmente ipotizzato.

Invece dei cinque colori primari (rosso, giallo, verde, blu e violetto) che aveva originariamente distinto nel 1672, Newton riconobbe sette colori primari: rosso, arancione, giallo, verde, blu, indaco e violetto. Inoltre, notò che l’arcobaleno primario ha i colori disposti in un ordine fisso, con il rosso esterno e il violetto interno, e che l’arcobaleno secondario aveva i colori disposti in ordine inverso rispetto all’arcobaleno primario.

La scoperta di Newton sulla composizione della luce e la sua teoria sull’arcobaleno hanno avuto un impatto significativo sulla scienza moderna, influenzando la ricerca in diversi campi, dalla fisica alla medicina. La sua scoperta ha aperto la strada per la comprensione della luce e dello spettro elettromagnetico, portando a scoperte come la teoria della relatività di Einstein e lo sviluppo della spettroscopia.

Gli studi di Young e Airy rappresentarono una svolta fondamentale nella comprensione scientifica dell’arcobaleno, poiché furono in grado di spiegare fenomeni che la teoria corpuscolare di Newton non poteva affrontare. Tuttavia, le descrizioni fisiche moderne dell’arcobaleno si basano principalmente sul lavoro di Gustav Mie sulla diffusione della luce in particelle sferiche, una teoria nota come Scattering Mie. Secondo questa teoria, la luce del sole, che è composta da un ampio spettro di colori, interagisce con le gocce d’acqua presenti nell’aria durante o subito dopo una pioggia.

Le gocce d’acqua agiscono come piccoli prismi, separando la luce in colori diversi attraverso il processo di rifrazione. La luce rifratta all’interno delle gocce d’acqua viene poi riflessa sulla superficie interna della goccia, creando uno spettro di colori che si curva in una forma ad arco. La forma a semicerchio dell’arcobaleno è il risultato della riflessione interna totale della luce all’interno delle gocce d’acqua.

Inoltre, l’arcobaleno può avere colori supernumerari, ovvero bande di colore più deboli e meno luminose che si trovano vicino ai colori principali. Questo è dovuto all’interferenza costruttiva e distruttiva delle onde di luce che si propagano attraverso le gocce d’acqua. La spiegazione moderna dell’arcobaleno si basa quindi sulla teoria ondulatoria della luce e sulla diffusione della luce in particelle sferiche, fornendo una descrizione completa del fenomeno. L’arcobaleno è un esempio di come la scienza e la tecnologia possano essere utilizzate per comprendere e spiegare la bellezza della natura.

Posizione dell’arcobaleno 

L’arcobaleno appare sempre opposto al sole, ovvero la sua posizione dipende dall’angolo di riflessione della luce solare. Per questo motivo, l’osservatore può vedere l’arcobaleno solo se si trova tra il sole e la pioggia, con il sole alle sue spalle e la pioggia di fronte a lui.

Forma dell’arcobaleno

‘arcobaleno appare come un arco di cerchio, con il centro dell’arco situato sulla linea che collega il sole all’osservatore. L’arco può apparire più o meno ampio a seconda dell’angolo di osservazione dell’osservatore.

Dimensione dell’arcobaleno 

La dimensione dell’arcobaleno dipende dalla grandezza delle gocce d’acqua presenti nell’aria. Maggiore è la grandezza delle gocce d’acqua, maggiore sarà la dimensione dell’arcobaleno.

Spettro e sequenza dei colori

L’arcobaleno appare come un’arcata di sette colori principali, nell’ordine: rosso, arancione, giallo, verde, azzurro, blu e viola. Questa sequenza di colori è data dalla diversa lunghezza d’onda della luce che viene deviata all’interno della goccia d’acqua. Ogni colore si sovrappone leggermente al successivo, creando una transizione graduale di tonalità lungo l’intero arco. In alcuni casi, l’arcobaleno può apparire con colori addizionali, come il rosa o il marrone, ma questi non fanno parte della sequenza di colori principale dell’arcobaleno.

I colori dell’arcobaleno: quanti e quali sono?

Arcobaleno secondario

L’arcobaleno secondario, noto anche come arcobaleno esterno, è un fenomeno ottico che si verifica quando la luce solare viene rifratta e dispersa due volte all’interno delle gocce d’acqua nell’aria. A differenza dell’arcobaleno primario, l’arcobaleno secondario appare con i colori invertiti, ovvero con il rosso all’esterno e il viola all’interno.

L’arcobaleno secondario ha anche una posizione leggermente diversa rispetto all’arcobaleno primario, in quanto il centro dell’arco si trova sulla stessa linea che congiunge il sole con l’osservatore, ma il centro dell’arco è più alto rispetto a quello dell’arcobaleno primario.

Inoltre appare meno luminoso e meno definito rispetto all’arcobaleno primario, in quanto la luce che viene rifratta due volte all’interno delle gocce d’acqua è più debole e dispersa rispetto alla luce che viene rifratta una sola volta.

L’arcobaleno secondario può essere visibile solo in alcune condizioni atmosferiche, come dopo una pioggia molto intensa, quando le gocce d’acqua nell’aria sono molto grandi e la luce solare è forte. Tuttavia, anche in queste condizioni è un fenomeno molto più raro rispetto all’arcobaleno primario.

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