Tęcza jest pełnym kołem, którego z ziemi zwykle nie widzimy
Geometria promieni wychodzących z kropli nie tworzy „łuku” jako osobnego obiektu. Dla obserwatora odpowiednie krople leżą na stożku wokół osi przeciwnej do Słońca. Przecięcie tego stożka z polem widzenia daje okrąg. Z ziemi jego dolną część zwykle zasłania horyzont.
Dlaczego około 42 stopni
W tęczy głównej światło wchodzi do kropli, załamuje się, odbija raz od tylnej powierzchni i ponownie się załamuje przy wyjściu. Dla każdej barwy istnieje zakres kierunków, w którym wiele promieni skupia się kątowo. Dla czerwieni maksimum leży w pobliżu 42° od punktu przeciwnego Słońcu, a dla fioletu nieco bliżej środka.
Każdy punkt okręgu wymaga innych kropli
Krople nad nami tworzą górną część tęczy, krople po bokach — boki okręgu, a do zobaczenia dolnej części potrzebne są krople znajdujące się poniżej poziomu obserwatora. Stojąc na płaskim gruncie zwykle ich nie mamy w polu widzenia. Z samolotu, wysokiego wodospadu lub góry sytuacja może być inna i możliwe jest zobaczenie znacznie większej części koła.
Środek tęczy jest związany z obserwatorem
Środek okręgu leży w punkcie przeciwsłonecznym — dokładnie po przeciwnej stronie nieba niż Słońce. Gdy obserwator się porusza, oś stożka porusza się razem z nim. Dlatego pełna geometria tęczy jest związana z pozycją patrzącego, a nie z jednym stałym miejscem w krajobrazie.
Kropla nie jest małym obrazkiem tęczy
Pojedyncza kropla oświetlona Słońcem wysyła różne barwy w wiele kierunków. Obserwator widzi konkretny kolor z tych kropel, dla których geometria drogi światła spełnia odpowiedni warunek kątowy. Łuk powstaje dopiero z ogromnej populacji kropel rozłożonych w przestrzeni. To dlatego rysunek jednej kropli wyjaśnia mechanizm załamania i odbicia, ale nie wystarcza do zrozumienia przestrzennego kształtu całej tęczy.
Słońce nie jest idealnym punktem
Tarcza słoneczna ma skończony rozmiar kątowy, a krople mają różne rozmiary i nie są idealnym, nieruchomym układem. Te czynniki rozmywają idealne przewidywania geometryczne. Dodatkowo fale świetlne mogą interferować i tworzyć tzw. tęcze nadliczbowe — delikatne dodatkowe pasma przy głównym łuku. Pełny obraz tęczy łączy więc optykę geometryczną z falową.
Dlaczego tęcza jest dobrym laboratorium
Do doświadczenia nie potrzeba specjalistycznej aparatury: Słońce jest źródłem, krople deszczu elementami optycznymi, a oko detektorem. Jednocześnie z obrazu można odczytać kąty, kolejność barw, liczbę wewnętrznych odbić i rozkład jasności. To rzadki przypadek, gdy zjawisko o skali kilometrów można wyjaśniać tymi samymi prawami, które testuje się na pojedynczej kropli w laboratorium.
Dlaczego zdjęcie nie jest dokładnie tym samym co widok oka
Aparat rejestruje określony zakres widma i ma własną charakterystykę barwną, ekspozycję oraz obróbkę obrazu. Tęcza na zdjęciu może więc mieć inne nasycenie niż obserwowana bezpośrednio. Filtr polaryzacyjny może dodatkowo zmienić kontrast łuku względem nieba, ponieważ światło tęczy jest częściowo spolaryzowane. Fotografia jest świetnym narzędziem dokumentacji, ale również kolejnym układem optycznym pomiędzy zjawiskiem i gotowym obrazem.
Co warto zapamiętać podczas następnej tęczy
Najbardziej pouczające jest potraktowanie tęczy nie jak kolorowego obiektu, lecz jak mapę kierunków. Zwróć uwagę na położenie Słońca za plecami, środek łuku po stronie przeciwnej, jasność nieba wewnątrz i na zewnątrz oraz ewentualny drugi łuk. Każdy z tych elementów ma konkretną przyczynę w drodze światła przez krople. Jedno spojrzenie może więc ujawnić kilka różnych przewidywań tego samego modelu optycznego.