Non è proprio così che funzionano gli arcobaleni. La spiegazione standard è che la luce rimbalza all'interno di ciascuna goccia e viene riflessa una volta ed esce ad angolo:

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Tuttavia, l'immagine reale è un po 'più complicata. Quando la luce del sole colpisce una goccia d'acqua, i raggi lo faranno

1. rifrangono quando entrano,
2. (parzialmente) riflettono quando colpiscono la parte posteriore della goccia, e poi
3. (parzialmente) si rifrangono mentre escono.

Per ogni gocciolina, tuttavia, ci sono un mucchio di raggi che colpiscono la gocciolina in posizioni diverse e ognuno di essi rimbalzerà in modo diverso ed uscirà con un'angolazione diversa, in modo che il risultato finale sia questo:

Poiché c'è un riflesso all'interno della gocciolina, la luce viene principalmente inviata all'indietro e poiché ci sono due fasi in cui avviene la rifrazione, gli angoli sono un po 'instabili. Ma ecco la cosa importante: l'angolo al quale esce la luce aumenta, ha un massimo, e poi diminuisce di nuovo, un fatto che è chiaramente visibile seguendo i puntini mentre scendono dal negativo- $ x $ , interrompi e poi torna di nuovo su.

Ciò significa che se l'angolo relativo tra il Sole, la goccia e la testa è inferiore a un certo angolo massimo $ \ theta_ \ mathrm {max} $ , di solito uguale a circa $ \ theta_ \ mathrm {max} \ approx 42 ° $ , allora la goccia ti apparirà luminosa (e, poiché questo non è un una singola goccia ma un conglomerato nebbioso, la nebbia avrà un bagliore diffuso) e se l'angolo è maggiore di quello, non ci sarà luce extra verso i tuoi occhi da quelle goccioline.

In altre parole, quindi, questo processo produrrà un disco luminoso, centrato nel punto anti-solare (cioè dove i tuoi occhi ricevono i riflessi in asse nel diagramma sopra) e con diametro $ \ theta_ \ mathrm {max} \ approx 42 ° $ , e questo è esattamente ciò che si osserva, in particolare quando l'arcobaleno si presenta su uno sfondo più scuro:

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Nota, in particolare, che l'interno dell'arcobaleno (primario) è molto più luminoso dell'esterno.

Inoltre, nota che la luminosità di questo disco aumenta man mano che vai dal centro verso il bordo: questo è causato dal fatto che i raggi si raggruppano nel punto di svolta in $ \ theta_ \ mathrm {max} $ (nota nel diagramma dei raggi che ci sono molti più punti in quella regione di quanti ce ne siano vicino all'asse). Questo raggruppamento significa che, per ogni colore, il disco di luce ha un bordo particolarmente luminoso, chiamato caustico.

Allora che cosa sono i colori?

Sebbene la geometria del tuo diagramma sia disattivata, come noti correttamente, il diagramma standard (la prima figura in questa risposta) è un po 'fuorviante, perché in qualche modo implica che per ogni raggio rosso che colpisce i tuoi occhi, ci sarà un'altra goccia ad un altro angolo che invia un raggio giallo (o verde, blu, arancione, indaco e così via) sullo stesso percorso ─ e questo è davvero corretto! Questo è ciò che accade dentro questo disco di luce.

Il problema di questo processo, tuttavia, è che l'angolo di apertura massimo del cono di luce riflesso da ciascuna gocciolina dipende in modo molto sensibile dall ' indice di rifrazione dell'acqua che compone la gocciolina , e questo indice di rifrazione dipende anche dalla lunghezza d'onda della luce, in modo che la dimensione del disco aumenta con la lunghezza d'onda, con il disco rosso che è il più grande, quindi l'arancione, il giallo, il verde, il blu, l'indaco e il viola sono successivamente più piccoli .

Ciò significa che, sul bordo del disco prodotto dalla luce rossa, dove è il più luminoso, non c'è luce di altri colori per competere con esso, quindi la luce sembra rossa lì.

Un po 'più vicino, sul bordo del disco arancione, non c'è luce dei colori giallo, verde o blu, poiché quei dischi sono più piccoli ─ e, inoltre, la luce dal disco rosso è più debole, perché è non al limite della luminosità massima e il disco arancione ha la sua massima lucentezza lì. Pertanto, in quella posizione, la luce arancione vince e la luce sembra complessivamente arancione.

E così via su tutta la linea: per ogni colore nello spettro, il bordo del disco è più luminoso dei dischi più grandi e i dischi più piccoli non contribuiscono affatto, quindi il bordo di ogni disco brilla con il suo rispettivo colore.

Per ulteriori letture sulla creazione di arcobaleni vedere ad es. questo eccellente Q&A precedente.

E infine, per affrontare la componente più noiosa della domanda originale: perché i diversi colori non sono sfocati insieme una volta raggiunta la retina? Fondamentalmente, poiché nell'occhio umano la retina non è esposta direttamente all'aria $ - $ l'occhio umano è un riflesso ottico abbastanza sofisticato sistema di imaging, che utilizza una lente nella parte anteriore dell'occhio per focalizzare la luce in entrata sulla retina:

Se questa lente non fosse presente (ad esempio, se la retina fosse dove si trova la linea grigia tratteggiata e la lente non ha avuto effetto), allora avresti effettivamente una luce di colori diversi che colpisce ogni cellula della retina e la retina segnalare al cervello un grande pasticcio disordinato di colori uniformi.

Per fortuna, ovviamente, l'obiettivo è presente e l'effetto dell'obiettivo è di rimettere a fuoco la luce, in modo che (almeno, quando l'occhio è focalizzato sull'infinito) in collimato da diverse angolazioni sarà focalizzato in differenti posizioni laterali della retina. Poiché i diversi colori arrivano ad angoli diversi, collimati dall'arcobaleno che è effettivamente all'infinito, ciò significa che tutta la luce rossa sarà focalizzata su alcune cellule della retina e la luce blu sarà focalizzata su diversi cellule della retina in una posizione diversa e così via.

È estremamente importante notare che questo nulla ha a che fare con il fatto che quello che stai vedendo è un arcobaleno e questo schema di ri-immagine proveniente dalla messa a fuoco dell'obiettivo nella parte anteriore dell'occhio (e il potenziale problema di sfocatura che avremmo se l'obiettivo non fosse presente) è universale per vedere qualsiasi oggetto, colorato o no, arcobaleni o no.

Per maggiori dettagli su come funziona l'occhio, consulta il tuo libro di testo di ottica preferito.

La tua immagine mostra che un osservatore in X vedrà sia la luce rossa fortemente diffusa sia la luce blu fortemente diffusa, ma la vedrà venire da direzioni diverse.

È lo stesso modo in cui vedi di solito le cose: quantità o colori diversi di luce che raggiungono i tuoi occhi da direzioni diverse, creando così un'immagine sulla tua retina.

L'immagine nella tua domanda rappresenta un alone piuttosto che un arcobaleno: l'arcobaleno si vede quando il Sole è dietro , mentre gli aloni compaiono quando il Sole è di fronte a te.

I meccanismi effettivi che producono i colori variano tra i fenomeni, ma l'idea di base è la stessa: se la luce di certi colori arriva da direzioni diverse, il tuo occhio distinguerà quei colori.

Se rimuovi l'obiettivo dall'immagine, i colori si fonderanno davvero, ma questo è il punto: i tuoi occhi non possono vedere senza l'obiettivo.

Per affrontare la tua modifica: ti sbagli, una singola goccia di pioggia non produce un arcobaleno dal punto di vista dell'osservatore.

Una goccia occupa un dato punto nel campo visivo ed è visibile come un punto infinitamente piccolo. La risposta di Emilio fornisce una spiegazione dettagliata dei fenomeni sottostanti, ma il risultato netto è lo stesso del caso di dispersione: la luce di diversi colori viaggia lungo percorsi diversi. Supponiamo che l'osservatore si trovi ad un angolo tale che il colore che viaggia da quella goccia al suo occhio sia rosso. In tal caso, l'osservatore vedrà un punto rosso.

Una seconda goccia a una certa distanza a destra divide la luce esattamente nello stesso modo della prima. Tuttavia, poiché si trova a un'angolazione diversa rispetto all'osservatore, un colore diverso arriverà ai loro occhi, diciamo arancione, mentre il raggio rosso di quella stessa gocciolina mancherà l'occhio. L'osservatore vede quindi un punto arancione a una certa distanza a destra da quello rosso. Ripeti l'operazione per l'intero campo visivo e otterrai il tuo arcobaleno.

Riassumendo: ogni goccia produce tutti i colori contemporaneamente, ma i raggi colorati corrispondenti viaggiano in direzioni diverse. Se consideriamo solo le direzioni da una goccia all'osservatore, allora each droplet produce un solo colore.

Ora, la luce delle singole goccioline si mescola davvero quando raggiunge il suolo. Immagina le luci di Natale: se ne prendi un intero gruppo e indichi il muro, il colore di quella luce mista sarà più o meno bianco. Tuttavia, i tuoi occhi possono ancora vedere le singole luci e distinguere i colori. Questo perché le singole luci si trovano ad angolazioni diverse, proprio come le goccioline in un arcobaleno.

La tua confusione nasce dal fatto che pensi che una singola goccia di pioggia produrrebbe un arcobaleno. Non è così. Come spiegano le risposte a questa e alle domande precedenti, la luce solare incidente crea quello che sembra un punto culminante speculare su ogni singola goccia, con i massimi per i vari colori ad angoli leggermente diversi. Guarda l'animazione in questa eccellente risposta a "Che aspetto hanno le singole goccioline che formano l'arcobaleno?"

Vedrai quell'evidenziazione colorata solo se guardi una data goccia di pioggia dall'angolazione corretta. I raggi del sole incidente sono tutti paralleli, quindi mentre l'osservatore guarda attraverso il cielo, tutte le gocce di pioggia dello stesso colore formano quello che, dal punto di vista dell'osservatore, sembra essere un arco, di cui il punto antisolare è il centro. Notare che, mentre l'osservatore si muove, così fa quell'arco e le gocce di pioggia che lo costituiscono si trovano in posizioni diverse. (Questo è il motivo per cui non puoi mai arrivare alla fine di un arcobaleno.)

Domande simili sono state poste e risposte che illustrano ulteriormente questo aspetto:

• Forma dell'arcobaleno
• Perché l'arcobaleno è sempre circolare?
• Perché un arcobaleno ha una forma curva?

Il punto chiave è che devi distinguere tra ciò che verrebbe visto su uno schermo e ciò che viene visto dai tuoi occhi . Questa è una confusione comune quando le persone iniziano a studiare l'ottica.

La luce può colpire uno schermo in molti punti diversi. In ogni punto, la luce proveniente da ogni direzione viene sfocata insieme.

Con un'approssimazione approssimativa (cioè abbastanza buona per comprendere il concetto), la luce può entrare nell'occhio solo in un punto. Ma a quel punto, la luce che arriva da ogni direzione viene focalizzata in un punto diverso della retina. Quindi, a differenza di uno schermo, potresti perdere completamente un po 'di luce, ma puoi vedere da dove proviene la luce che catturi. Questo è un compromesso concreto che è stato fatto all'inizio della nostra storia evolutiva.

Una singola goccia di pioggia produrrebbe un arcobaleno molto debole e completo su uno schermo. E in effetti, più gocce di pioggia farebbero accumulare arcobaleni sullo schermo, sfocandolo.

Una singola goccia di pioggia non produce un arcobaleno nei tuoi occhi. Infatti, a meno che non ti trovi proprio nel minuscolo "cono arcobaleno" prodotto da quella goccia di pioggia, non vedrai molto di niente. Se ti trovi nel cono, vedi un luccichio di un colore, il colore emesso nella direzione che colpisce l'occhio, proveniente da dove si trova la goccia. E se c'è una goccia di pioggia adiacente, vedrai un bagliore di un colore diverso proveniente da una direzione diversa. La combinazione di molte gocce crea un arcobaleno che percepisci.

Ottenere la giusta distinzione tra schermo e occhio è una di quelle informazioni chiave di cui hai bisogno per comprendere l'ottica. Ad esempio, dovresti essere in grado di capire perché puoi guardare un film dal fondo di una stanza, ma non puoi guardarlo guardando il riflesso dello schermo sulla parete di fondo. Dovresti anche essere in grado di capire perché due persone vicine l'una all'altra vedono arcobaleni completamente "diversi", nel senso che sono coinvolte diverse goccioline d'acqua.

Il tuo ragionamento è corretto per rispondere al motivo per cui gli arcobaleni non appaiono come illuminazione visibile sugli oggetti, come avresti se proiettassi una fonte di luce su una grande sfera di vetro. La dispersione della luce da tutte le gocce di pioggia si media con il risultato finale che la luce del sole che passa attraverso un arcobaleno e colpisce una superficie non appare colorata, ma solo leggermente più scura.

Tuttavia, un occhio umano non è solo un frammento di cellule fotorecettrici che misurano l'illuminazione totale che li colpisce, ma utilizza la sua forma e la lente per consentire la risoluzione angolare, ovvero sapere da dove proviene la luce. E la luce da ogni direzione è colorata, perché tutte le gocce di pioggia lungo quella linea di vista producono lo stesso colore e quindi si rafforzano a vicenda. La luce di un colore diverso proviene da una direzione diversa ed è quindi vista anche da una direzione diversa.

Questo è ciò che rende gli arcobaleni così affascinanti: sono un fenomeno ottico che può essere osservato solo con metodi che consentono la risoluzione angolare, come guardare o fotografare.

Hai ragione che al nostro occhio (situato nel punto X) arrivano raggi di luce di diverso colore.Ma come mostra la tua immagine, arrivano da direzioni diverse.E a causa delle proprietà ottiche dell'occhio, i raggi provenienti da diverse direzioni vengono eventualmente mappati su diversi punti della retina.Questo fa sì che i colori provenienti da punti diversi non si mescolino e si sfocino.