Domanda:
Gli arcobaleni mostrano linee spettrali dal sole?
Mario
2019-11-03 20:50:43 UTC
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Sono a conoscenza di una domanda simile posta in L'arcobaleno mostra linee spettrali?:

La risposta a questa domanda è che il corpo che produce la luce non è la goccia d'acqua che semplicemente la diffrange, ma piuttosto il Sole, che agisce come un corpo nero e quindi produce uno spettro completo.

Tuttavia, non è del tutto vero che il sole sia un corpo nero: come tutte le stelle, ha una classe spettrale con righe di assorbimento.

Mi chiedo perché queste linee non siano osservabili nell'arcobaleno o quando si scompone la luce solare con un prisma in condizioni altrimenti incontrollate.Sono semplicemente troppo strette per essere viste senza strumenti ottici?È un prodotto della sorgente di luce non coerente?In che modo ciò è coerente con la possibilità di ottenere spettri da stelle lontane in cui le linee spettrali sono visibili?

Riesci a vedere la linea spettrale alla luce del sole che hai fatto passare direttamente attraverso un prisma?Ho preso uno spettro solare dettagliato all'università, ma richiedeva uno spettrometro un po 'più potente di un prisma.
Certamente non con nessuno dei prismi che ho, la mia domanda è precisamente perché il prisma non è abbastanza potente da solo.
Un arcobaleno è un fenomeno molto diverso da uno spettro di un prisma.In un arcobaleno le frequenze luminose sono distribuite in un modo molto specifico che ha a che fare con la fisica di come la luce viene rifratta all'interno di una goccia d'acqua.Per questo motivo dubito che sarebbe mai possibile osservare una linea spettrale in un arcobaleno, indipendentemente dalle condizioni ideali.Questo non è affatto ovvio, tuttavia, ed è una buona domanda.
Temo di non essere a conoscenza di come sia diverso, c'è un riferimento in cui posso leggere ulteriormente in questo?
se prendi la luce solare e la mandi attraverso una stretta fessura prima che vada al prisma, avrai delle linee di assorbimento presenti.Senza la fessura i raggi interferiscono l'uno con l'altro
Perchè è così?Migliorare la coerenza della luce?
Tre risposte:
user21820
2019-11-04 19:20:59 UTC
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Per prima cosa devi capire come si forma un arcobaleno (primario). Ecco un riepilogo con alcuni dettagli che non sono nell'articolo collegato:

Ogni volta che un raggio di luce incontra un confine aria-acqua, viene riflesso o rifratto. Per formare un arcobaleno primario, dobbiamo prima avere abbastanza piccole goccioline d'acqua nell'aria, poiché sono vicine allo sferiche. I fasci di luce paralleli che raggiungono una tale goccia d'acqua devono essere rifratti una volta quando entrano, riflessi sulla superficie interna della goccia una volta e rifratti ancora una volta quando escono:

(immagine dall'articolo collegato)

Ci sono 3 punti importanti da notare qui:

  1. Le gocce d'acqua nell'aria non sono mai perfettamente sferiche. Questa è una fonte di sfocatura.

  2. Fasci paralleli che entrano nella stessa goccia d'acqua possono uscire da diverse angolazioni! Questo è il motivo principale per cui gli arcobaleni non possono mai dare spettri nitidi anche se hai goccioline d'acqua perfettamente sferiche (diciamo nello spazio esterno). Perché allora vediamo ancora l'arcobaleno? Ci sono tre ragioni, che insieme fanno sì che l'arcobaleno venga visto all'incirca a 42 °:

    • Diversi fasci di luce incidente avranno una quantità diversa di riflessione / rifrazione. In particolare, il raggio incidente più in basso (nel diagramma) passerà per lo più senza essere riflesso sul retro della gocciolina, e il raggio incidente più in alto sarà per lo più riflesso piuttosto che entrare nella gocciolina.

    • I fasci di luce che emergono dalla gocciolina dopo il processo di cui sopra sono 'più densi' lungo il cosiddetto raggio caustico, perché l'angolo emergente non varia monotonicamente con la distanza del fascio incidente dall'asse centrale, e raggiunge un massimo per il raggio caustico, attorno al quale l'angolo emergente varia di meno.

    • I fasci di luce incidente più lontani dall'asse centrale subiscono una maggiore rifrazione, con conseguente maggiore separazione delle diverse lunghezze d'onda.Al contrario, i raggi arcobaleno dei fasci incidenti vicini all'asse centrale si sovrappongono in gran parte l'un l'altro e si sbiadiscono.(Vedi questa pagina web per un'immagine che lo illustri.)

  3. I raggi di luce possono incontrare più di una goccia!Questa è un'altra delle ragioni principali per cui non possiamo aspettarci uno spettro nitido da un arcobaleno (naturale).

  4. Anche supponendo che la goccia d'acqua sia un punto, i fasci di luce del sole non saranno perfettamente paralleli.In effetti, il sole sottende un angolo di circa 0,5 ° rispetto a un osservatore sulla Terra, quindi questo porta all'incirca la stessa quantità di diffusione dell'arcobaleno rispetto a quella generata da una sorgente di luce puntiforme.Tuttavia, questo è un effetto molto meno significativo rispetto al punto 2.

(la risposta di jkien non è corretta ma inspiegabilmente ha molti voti positivi.)

Il punto 3 è molto probabilmente un effetto trascurabile nella maggior parte delle circostanze.Il punto 2 è certamente il punto più importante, ma questa descrizione sembra un po 'complicata e tuttavia non fornisce alcuna informazione quantitativa sul tipo di risoluzione spettrale raggiunta dall'arcobaleno.Inoltre, poiché questa risposta ignora totalmente la sfocatura causata dal fatto che la luce del sole non è perfettamente parallela, è fondamentalmente altrettanto errata per la risposta di _jkien_.Prese insieme, queste due risposte coprono i motivi più importanti per cui l'arcobaleno non è in grado di risolvere le strette linee spettrali del Sole.
Il punto 3 di @jkej: non è affatto trascurabile;Non sono sicuro del motivo per cui pensi che lo sia.Per quanto riguarda la tua indagine sulla "risoluzione spettrale", il punto è che i fasci incidenti paralleli della stessa lunghezza d'onda non rimangono paralleli e gli angoli emergenti possibili non sono nemmeno confinati in una banda stretta ma coprono l'intero intervallo da 0 ° a circa 42°.La distribuzione ha un picco intorno ai 42 °, ma varia dolcemente con l'angolo di emergenza (vedi il grafico nell'articolo collegato).Quindi probabilmente la "risoluzione" non è ben definita.Ma ho dimenticato di dire che la luce solare incidente non è del tutto parallela;Lo aggiungo io.
Il fatto che siano possibili tutti gli angoli emergenti da 0 ° a 42 ° non significa che non si possa definire una risoluzione spettrale basata sul picco molto nitido a ~ 42 °.Se fosse così non potresti parlare di risoluzione di qualsiasi strumento dispersivo perché hai sempre una qualche forma di coda sulle funzioni di forma della linea.Un modo comune per definire la risoluzione è il FWHM del picco.Secondo [questo sito] (https://www.atoptics.co.uk/rainbows/primcol.htm) il FWHM del picco di 1 ° ordine dell'arcobaleno sembra essere circa 0,3-0,4 °, che sarebbe simile aldivergenza della luce solare in arrivo.
Per quanto riguarda il punto 3, probabilmente richiederebbe una qualche forma di modellazione del trasferimento radiativo per dimostrare in modo definitivo che lo scattering multiplo è trascurabile negli arcobaleni, ma non l'ho mai visto prima menzionato come importante.D'altra parte, non si parla dell'effetto di molteplici riflessioni interne nella gocciolina, e questo è sicuramente un effetto più importante come evidenziato dal fatto che possiamo vedere l'arcobaleno secondario in condizioni favorevoli.
@jkej: So molto bene che puoi definire la risoluzione spettrale in base alla distribuzione, ma l'FWHM non è chiaramente una buona misura per questo scopo a causa della coda pesante (vedi il grafico nella pagina web a cui sei collegato).Al contrario, il sole (come osservato dalla Terra) ha un bordo netto, quindi la diffusione di 0,5 ° ha un profilo netto.So anche dell'arco secondario, ma questo è compensato da un angolo ragionevolmente ampio, quindi l'effetto sull'arco primario è trascurabile.E sto prendendo in considerazione il feedback, quindi non vedo motivo per il voto negativo.
Conosco diversi strumenti per i quali FWHM viene utilizzato come misura della risoluzione spettrale nonostante le code grasse.Se la domanda fosse "Gli arcobaleni mostrano informazioni spettrali sulla luce solare?", Il tuo ragionamento potrebbe essere utilizzato per rispondere "No, perché la luce in uscita potrebbe avere qualsiasi angolo compreso tra 0 ° e 42 °".Ma il fatto che possiamo distinguere almeno sei diversi colori nell'arcobaleno è una chiara indicazione che la risoluzione dell'arcobaleno è almeno simile alla separazione tra questi colori.Una definizione di risoluzione che la contraddica, a mio parere non avrebbe senso.
Per quanto riguarda il voto negativo, era dovuto all'aggiunta del punto 4. Prima di allora, pensavo che la risposta fosse semplicemente assente.Con il punto 4, penso che sia direttamente fuorviante.
@jkej: Penso che tu stia solo cercando di trovare difetti nel mio post.Non ho mai suggerito una volta che l'arcobaleno non possa mostrare informazioni spettrali;Ho appena detto che non può fornire uno spettro ** nitido **.Ho detto che FWHM non è una ** buona ** misura, non che non possa essere utilizzata affatto.E il ragionamento sbagliato è tuo, non mio, perché il punto 2 elenca chiaramente 3 fattori che fanno sì che i raggi in uscita abbiano una distribuzione raggruppata intorno ai 42 °.Inoltre, possiamo distinguere ** migliaia ** di tonalità in un arcobaleno, non solo sei, e questo non dice ** nulla ** sulla risoluzione dell'arcobaleno.
La motivazione principale dei miei commenti e del mio voto negativo era che non mi piace quando una risposta fuorviante viene accettata per una domanda pertinente.Ho anche pensato che la risposta fosse giusta "abbastanza" da poter essere recuperata, ma a questo punto sembra improbabile.Buona giornata!
jkien
2019-11-04 03:36:14 UTC
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Sfortunatamente, gli arcobaleni prodotti dal Sole sono sfocati perché il Sole non è una sorgente puntiforme.Il diametro apparente del Sole è di 0,5 °, mentre l'ampiezza dello spettro dell'arcobaleno è di circa 2 °.

Tuttavia, sii paziente e attendi fino a quando la prossima supernova luminosa non appare nel cielo notturno.Dovrebbe produrre arcobaleni più luminosi del Sole, con colori più puri e saturi, e forse con le linee di Fraunhofer della supernova visibili ad occhio nudo.

Sono stati osservati arcobaleni di supernove o è una situazione ipotetica?
-1 Temo - questa risposta non è corretta.Un arcobaleno è un fenomeno molto diverso da uno spettro di un prisma.La ragione per la "sfocatura" di un arcobaleno rispetto a uno spettro non ha a che fare con il fatto che il sole è una sorgente non puntiforme, ma piuttosto ha a che fare con la fisica di come viene prodotto un arcobaleno.Una supernova luminosa potrebbe effettivamente produrre un arcobaleno - è un bel pensiero - ma non sembrerà molto diverso da quello prodotto dal Sole.
@Nathaniel com'è un "fenomeno molto diverso"?Entrambi i processi disperdono una sorgente di luce rifrangendo la luce, cambiando il suo angolo lasciando il mezzo in modo dipendente dalla lunghezza d'onda.E in effetti mi aspetterei che un arcobaleno proveniente da una sorgente puntiforme appaia notevolmente diverso, non essendo convolto dal disco del sole.
@MooseBoys Le gocce d'acqua che causano l'arcobaleno disperdono la luce in tutte le direzioni.Il ~ 42 ° è semplicemente un picco acuto, ma con larghezza finita.Puoi vedere le funzioni di forma della linea (per il primo ordine) [qui] (https://www.atoptics.co.uk/rainbows/primcol.htm).Il potere risolutivo di un prisma ideale invece è limitato dalla diffrazione.Ma hai ragione sul fatto che l'arcobaleno da una sorgente puntiforme sarebbe probabilmente almeno in qualche modo notevolmente diverso, perché le funzioni di forma delle linee sono più strette di ~ 0,5 ° del sole.
Mi sono appena reso conto che il sito web che ho collegato sopra ha anche una simulazione di [come potrebbe apparire un arcobaleno di supernova] (https://www.atoptics.co.uk/fz28.htm).La differenza sembra essere per lo più evidente per gli anelli interni, almeno per un osservatore casuale.
@MooseBoys ikej ha ragione.Sono d'accordo che un arcobaleno da una sorgente puntiforme potrebbe apparire notevolmente diverso.È un esperimento abbastanza facile da provare: tutto ciò di cui hai bisogno è un sottile getto d'acqua e una sorgente di luce puntiforme, ad es.un piccolo foro in alcune tende oscuranti (ampio spettro) o un piccolo LED bianco (che avrà alcune linee spettrali nitide).Ma sarei sorpreso di vedere linee di emissione chiare in un simile esperimento, perché ogni frequenza è distribuita su una gamma di angoli, quindi i picchi saranno fondamentalmente sfocati, indipendentemente da quanto sia buona la sorgente puntiforme.
(nota a margine: questo è il motivo per cui c'è una forte banda viola in un arcobaleno, ma non in uno spettro da un prisma. In uno spettro prisma puoi vedere il viola intenso, ma non vedi mai il viola rosato che ottieni in un arcobaleno.Il viola in un arcobaleno ha in realtà una discreta quantità di luce rossa.)
Questa risposta è corretta (sebbene non l'unico motivo).La posizione dell'arcobaleno dipende dalla posizione del sole.Quindi le dimensioni finite del sole lo confonderanno.
Cleonis
2019-11-03 22:20:24 UTC
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Come fai notare, un dispositivo di spettro sufficientemente sofisticato consentirà la misurazione delle linee spettrali nello spettro del Sole.

Ad esempio (storia della chimica), l'esistenza dell'elemento Elio fu notata per la prima volta dal fatto che uno spettro del Sole include linee non rappresentate dagli spettri degli elementi conosciuti all'epoca.

Arcobaleni:
Sebbene la separazione dei colori sia sufficiente per creare un effetto cromatico notevole, in realtà c'è molta sovrapposizione. La quantità di sovrapposizione è tale che tutti i dettagli vengono calcolati nella media.

Prisma:
Un prisma ben realizzato non avrà il tipo di sovrapposizione che si ha con un arcobaleno, quindi mi aspetto una buona separazione dei singoli colori della luce.
Non so quale livello di spettroscopia sia possibile con i prismi.
Non ne sono sicuro, ma può darsi che con un prisma non ci sia abbastanza dispersione della luce per ottenere dettagli sufficienti.

Per quanto ne so: non appena la tecnologia è diventata disponibile, la spettrosopia è passata ai reticoli di diffrazione. Più è vicina la spaziatura delle linee del reticolo di diffrazione, maggiore è la separazione delle linee spettrali.

Ha solo bisogno di una fessura d'ingresso.
Potresti chiarire perché gli arcobaleni hanno molte sovrapposizioni?Non sembra ovvio leggere i commenti dell'altra risposta.


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Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 4.0 con cui è distribuito.
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