Doğanın bize sunduğu en güzel ışık gösterileri olan gökkuşakları birçok öyküye, efsaneye ve şarkıya ilham kaynağı olmuştur. Hepimiz, bu doğa olayını hayranlıkla izlesek de, nasıl oluştuğunu bilenimiz pek azdır. Oysa ki bir gökkuşağının ardındaki fizik çok basittir.
Bir gökkuşağı görebilmek için bir takım önkoşulllar var. Bunlar havada su damlacıklarının bulunması, Güneş ışığının bu damlacıkların üzerine düşmesi ve tam olarak doğru yerde bulunmak.
Güneş’ten gelen ışınım, çok uzun dalgaboylu ışınımdan çok kısa dalga-boylu ışınıma kadar çok geniş bir tayfa sahiptir. Gözümüz, bu geniş tayfın içinde “optik ışınım” olarak da adlandırabileceğimiz oldukça dar bir aralığa duyarlıdır. Beynimiz, gözümüzden gelen bu verileri renklere dönüştürür. Gözümüzün duyarlı olduğu bölgede, uzun dalgaboylu ışık kırmızı, kısa dalgaboylu ışıksa mor olarak algılanır.
Aslında, renkleri beynimizin bize sunduğu bir ödül olarak düşünebiliriz.
Gözümüzün algılayabileceği tüm dalga boylarının karışımından oluşan Güneş ışığını beyaz görürüz. Çeşitli yöntemlerle, beyaz ışığı renklere ayırabiliriz. Bunun en kolay yolu, ışığın kırılma özelliğinden yararlanmaktır.
Işığın neden kırıldığını anlamak için bir alışveriş sepetini park yerine doğru sabit bir hızla ittiğinizi hayal edin. Arabanın hızı geçtiği ortama bağlı olacaktır. Asfaltta kolayca hareket edebilen araba, çimenlere geldiğiniz zaman direnç nedeniyle yavaşlayacaktır.
Ancak, arabayı belli bir açıyla çimlerin üzerine bastırdığınızda, başka bir şey olur. Sağ tekerlek ilk önce çime çarparsa, sol tekerlek hala kaldırımda dururken sağ tekerlek yavaşlar. Sol tekerlek kısa süre sağ tekerlekten daha hızlı hareket ettiğinden, alışveriş sepeti çimlerin üzerinde ilerledikçe sağa döner. Ya da tam tersi çimenli alandan asfalt alana açılı olarak hareket ederseniz, bir tekerlek diğerinden önce hızlanır ve araba yine döner.
Işıkta bir cam prizmaya çarptığında benzer biçimde davranır. Işık dalgasının bir tarafı diğerinden önce yavaşlar, bu nedenle ışın hava ve cam arasındaki sınırda döner. Işık prizmadan çıktığında tekrar döner, çünkü bir tarafı diğerinden önce hızlanır. Ek olarak farklı ışık renkleri farklı frekanslara sahiptir, bu da madde içinde farklı hızlarda hareket etmelerine neden olur.
Camda daha yavaş hareket eden bir renk, havadan cama geçerken daha keskin bir şekilde bükülecektir, çünkü hız farkı daha fazladır. Bu şekilde beyaz ışığı oluşturan renkler, camdan geçtiklerinde frekansa göre ayrılır. Cam ışığı bir prizmada olduğu gibi iki kez bükerse, ayrılan renkleri daha kolay görebilirsiniz.
İşte gökkuşağı da bu şekilde, Güneş ışığının su damlacıklarından geçerken uğradığı bir dizi kırılım ve yansımayla ortaya çıkar. Kırılma sonucunda, beyaz ışık renklere ayrışır. Ardından, küçük bir açıyla damlacığın iç yüzeyinden yansıyan ışık sudan havaya geçerken bir kez daha kırılır ve daha geniş bir açıyla ayrışır.
Aslında, su damlacığı küre biçiminde olduğundan ve Güneş’e bakan yüzeyin tamamına ışık düştüğünden, tek bir damlacık bir koni biçiminde, gökkuşağının tüm renklerini yayar. Ancak, gözümüze ulaşan yalnızca belli doğrultudaki ve belli renkteki ışık olur.
Şimdi akla gelen bir kaç soruyu cevaplamaya çalışalım…
Gökkuşağında kırmızı neden mavinin dışındadır?
Su damlacığının tam olarak küre olduğunu varsayarsak, üzerine düşen ışıkla çıkan kırmızı ışık arasındaki açı en fazla 42,4 derece olur. Bu açı, gökkuşağının öteki kenarındaki mavi ışıkta en fazla 40,7 derecedir; çünkü ışığın dalgaboyu ne kadar kısaysa o kadar fazla kırılır. Kırmızı ışık daha az kırıldığı için, kırmızı en dışta bulunur.
Gökkuşağını nerede ne zaman görebileceğimize gelirsek; su damlacıklarından kırılarak ve yansıyarak gelen ışığı görebilmemiz için, Güneş’i arkamıza almamız gerekir. Ayrıca, Güneş’in ufuktan en fazla 42,4 derece yüksekte olması gerekir ki gökkuşağını görebilelim.
Bir gökkuşağının altından geçebilir miyiz?
Maalesef hayır…
Çünkü gökkuşağını görebilmemiz Güneş’in ve su damlacıklarının bize göre doğru konumda olmalarına bağlıdır. Biz gökkuşağına doğru ilerlersek, onun bize göre konumu değişmez. Ancak, bu bir başkasının (kendisi göremese de) gökkuşağının altından geçişini görmemize engel değildir.
Gökkuşağının yarıçapı ve genişliği ne kadardır?
Gökkuşağının yarıçapını ve genişliğini açısal olarak söyleyebiliriz. Her bir su damlacığından bize dönen ışın doğrudan Güneş’ten ışınlarla yaklaşık 42 derecelik bir açı yaptığı için, gökkuşağının yarıçapı da yaklaşık 42 derecedir. Gökkuşağının genişliğiyse, kırmızı ve mavi arasındaki açısal farka eşittir. Bunu 42,4’ten 40,7’yi çıkararak 1,7° olarak hesaplayabiliriz. Gökkuşağının çapını ve genişliğini ancak ona uzaklığımızı bilirsek metrik olarak hesaplayabiliriz. Çünkü bu, yağmur damlacıklarının uzaklığına bağlı olarak değişir.
Aynı anda kaç kuşak görebiliriz?
Çoğu zaman aynı anda iki gökkuşağı görebiliriz. Bunların merkezleri aynı, ancak çapları farklıdır. Yani biri içte, öteki dıştadır. Dıştaki gökkuşağı içteki-ne, yani asıl kuşağa göre daha sönük olur. Çok parlak bir gökkuşağının çevresinde bazen 3. kuşağı da görebiliriz. Bunlar, ışığın damlacıkların içinde birden fazla kere yansımasıyla oluşur. Ancak, ilk gökkuşağını oluşturan yansımadan sonra ışığın büyük bölümü sudan havaya geçtiği için sonraki yansımalarla oluşan gökkuşağı çok daha siliktir. 2. gökkuşağının renk sıralaması ilkinin tersinedir.
İlkbahar, gökkuşağı görmek için en uygun mevsim. Şansınızın bol olması dileğimizle…
İleri okumalar:
- Alp Akoğlu, Bilim Teknik Dergisi – Nisan 2008
Matematiksel