รุ้งเกิดขึ้นได้อย่างไร มาไขความลับกันเถอะ

เดือนมิถุนายนแบบนี้ หลายพื้นที่ย่างเข้าสู่หน้าฝนอย่างเต็มตัว ฝนที่ตกทางโน้นจะหนาวถึงคนทางนี้บ้างมั้ยนะ แต่ที่แน่ ๆ แอดมินเชื่อว่า “ฟ้าหลังฝนย่อมสวยงามเสมอ” ซึ่งเดือนนี้นอกจากเราจะสังเกตเห็นรุ้งบนท้องฟ้าได้บ่อย ๆ แล้ว เรายังสามารถเห็นสีรุ้งสดใสได้ทั่วไปตามท้องถนนและสถานที่สำคัญต่าง ๆ ด้วย นั่นเพราะว่าเดือนนี้เป็นเดือนแห่งการเฉลิมฉลอง Pride Month ของกลุ่มคนที่มีหลากหลายทางเพศ (LGBTQIA+)

สรุปแล้ว “รุ้ง” คืออะไรและเกิดขึ้นได้อย่างไรกันนะ?

รุ้ง (rainbow) เป็นปรากฏการณ์ทางธรรมชาติที่มักพบเห็นได้ในช่วงก่อนหรือหลังฝนตกเล็กน้อย เกิดจากการที่แสงอาทิตย์หักเหผ่านละอองน้ำหรือหยดน้ำ โดยหยดน้ำในอากาศทำหน้าที่คล้ายปริซึมในการกระจายแสงออกเป็นสเปกตรัมของแสงขาว หากพิจารณาลักษณะของการสะท้อนของแสงเมื่อตกกระทบหยดน้ำในอากาศก่อนเกิดการกระจายแสง จะสามารถแยกรุ้งได้เป็น 2 ชนิด คือ รุ้งปฐมภูมิ (primary rainbow) และรุ้งทุติยภูมิ (secondary rainbow)

รุ้งปฐมภูมิเกิดจากแสงขาวจากดวงอาทิตย์หักเหเข้าสู่หยดน้ำ จากนั้นเกิดการสะท้อนจากผิวด้านในของหยดน้ำ แล้วจึงเกิดการหักเหอีกครั้งหนึ่งตอนออกจากหยดน้ำ และเข้าตาเราด้วยมุมที่แตกต่างกันให้เห็นเป็นรุ้ง

หากพิจารณาการหักเหครั้งแรกตรงจุดที่แสงอาทิตย์เข้าสู่หยดน้ำโดยใช้แสงสีแดงและม่วงเป็นตัวแทนของแสงขาว จะพบว่า แสงสีม่วงจะเกิดการเบนจากแนวเดิมมากที่สุด ในขณะที่แสงสีแดงจะเบนจากแนวเดิมน้อยที่สุด เนื่องจากสมบัติการกระจายแสงของน้ำที่มีดรรชนีหักเหสำหรับแสงสีต่าง ๆ ไม่เท่ากัน โดยที่ดรรชนีหักเหของน้ำสำหรับแสงสีม่วงมีค่ามากกว่าแสงสีแดงจึงทำให้แสงสีม่วงเกิดการเบนจากแนวเดิมที่มากกว่าแสงสีแดง นั่นคือ เมื่อแสงทั้งสองสีนี้ตกกระทบหยดน้ำครั้งแรกด้วยมุมตกกระทบเดียวกัน จะมีมุมหักเหไม่เท่ากัน

ปัญหาที่น่าสนใจในการอธิบายการเกิดรุ้ง คือ มุมที่แสงสีหักเหออกสู่อากาศจะเป็นอย่างไรเมื่อตำแหน่งที่แสงอาทิตย์ตกกระทบหยดน้ำเปลี่ยนไป ซึ่งเราจะเข้าใจเรื่องนี้ได้ดีขึ้นถ้าพิจารณาการตกกระทบหยดน้ำของแสงสีม่วงเท่านั้น หากรังสีของแสงสีม่วงจำนวน 5 เส้น ตกกระทบหยดน้ำที่ตำแหน่งต่างกันจะพบว่า รังสีแต่ละเส้นเกิดการหักเหและสะท้อนในหยดน้ำ จากนั้นเกิดการหักเหออกมาสู่อากาศ โดยมีแนวหนึ่งที่มีรังสีหลาย ๆ เส้นออกมาใกล้เคียงกัน คือแนวที่ทำมุม 40.8 องศา ซึ่งเป็นมุมที่แสงสีม่วงมีความเข้มสูงที่สุด สำหรับแสงสีอื่นก็จะมีมุมที่มีความเข้มสูงที่สุดแตกต่างกันไป โดยแสงสีแดงจะมีความเข้มสูงที่สุดที่มุมประมาณ 42.5 องศา

เมื่อแสงดังกล่าวตกกระทบหยดน้ำในตำแหน่งต่าง ๆ กัน ตามปกติแสงที่หักเหออกจากหยดน้ำหยดหนึ่ง ๆ จะมีสเปกตรัมของแสงครบทุกสี แต่เนื่องจากสายตาของผู้สังเกตจะทำมุมใดมุมหนึ่งกับหยดน้ำหยดนั้น ๆ จึงทำให้สามารถเห็นได้เพียงแสงสีใดสีหนึ่งตามมุมที่เหมาะสมเท่านั้น ดังนั้น การจะเห็นแสงสีต่าง ๆ จากหยดน้ำให้เกิดเป็นรุ้งได้นั้น แสงแต่ละสีที่เข้าตาจะต้องมาจากหยดน้ำคนละหยด โดยในการเกิดรุ้งปฐมภูมิแสงสีแดงที่มาเข้าตาจะต้องมาจากหยดน้ำอีกหยดหนึ่งที่อยู่ด้านบนของหยดน้ำที่ทำให้เกิดแสงสีม่วง

การที่เราเข้าใจว่าหยดน้ำที่จะทำให้เราเห็นแสงสีแต่ละแสงสีจะต้องมีมุมที่เหมาะสม เช่น แสงสีม่วงจะต้องเป็นหยดน้ำที่ทำให้มุมระหว่างรังสีจากดวงอาทิตย์และรังสีที่มาเข้าตาเรานั้นทำมุมกันประมาณ 40.8 องศา และแสงสีแดงจะต้องเป็นหยดน้ำที่ทำให้มุมระหว่างรังสีจากดวงอาทิตย์และรังสีที่มาเข้าตาเรานั้นทำมุมกันประมาณ 42.5 องศา ทำให้เราสามารถอธิบายได้ว่า รุ้งที่มองเห็นนั้นเป็นส่วนของวงกลม เพื่อจะทำให้มุมของรังสีทั้งสองยังคงเป็น 40.8องศา สำหรับรุ้งสีม่วง และ 42.5 องศา สำหรับรุ้งสีแดง

นอกจากนี้ แสงยังสามารถสะท้อนภายในหยดน้ำได้มากกว่าหนึ่งครั้ง ซึ่งจะทำให้ลำดับของแสงที่ออกมาและมุมที่แสงแต่ละสีมีความเข้มมากที่สุดนั้นต่างไปจากเดิม โดยรุ้งที่เกิดจากสะท้อนสองครั้งภายในหยดน้ำจะเรียกว่า รุ้งทุติยภูมิ แต่รุ้งชนิดนี้จะมีความเข้มของแสงต่ำกว่ารุ้งปฐมภูมิที่มีการสะท้อนเพียงครั้งเดียว

อ้างอิง : หนังสือเรียนรายวิชาเพิ่มเติมวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ฟิสิกส์ ม.5 เล่ม 3 บทที่ 11 แสงเชิงรังสี (ฉบับปรับปรุง พ.ศ. 2560)

• Facebook
• Twitter
• Line

การเกิดรุ้ง