รุ้ง

สาระน่ารู้การศึกษาวิทยาศาสตร์

รุ้ง

 

โดย โชคชัย อัศวินชัย

รุ้งเป็นปรากฏการณ์ธรรมชาติอย่างหนึ่งที่มีสีสันสวยงาม ยากที่มนุษย์เราจะวาดรูปให้เหมือนของจริงได้ เรามักจะพบว่า รุ้งที่เกิดขึ้นแต่ละครั้งจะไม่เหมือนกัน บางครั้งเกิดอยู่สูงๆ ในท้องฟ้า บางครั้งเกิดต่ำๆ ใกล้พื้นดิน บางทีตัวเล็ก บางทีตัวใหญ่ บางทีก็เกิดขึ้นพร้อมกันสองตัว และถ้าสังเกตให้ละเอียดจะพบว่า บางครั้งรุ้งมีสีแปลกๆ เกิดขึ้นอีกนอกเหนือจากที่เคยเห็นกันมา เนื่องจากรุ้งมีความสัมพันธ์กับดวงอาทิตย์ ซึ่งเป็นผลให้ลักษณะของรุ้งเกี่ยวข้องกับเวลาต่างๆ บนโลกและเราพบเห็นรุ้งได้ในชีวิตประจำวัน ดังนั้นจึงเป็นเรื่องน่ารู้ว่า รุ้งเกิดได้อย่างไร

รุ้งเกิดจากลำแสงอาทิตย์ส่องมากระทบกับละอองน้ำเล็กๆ ที่อยู่ในบรรยากาศในช่วงหลังจากฝนตกใหม่ๆ ทำให้แสงอาทิตย์เกิดการกระจายออกเป็นแสงสีต่างๆ รุ้งตัวหนึ่งจะประกอบด้วยละอองน้ำเล็กๆ หลายร้อยล้านหยดและมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางอยู่ระหว่าง 0.01 ถึง 4 มิลลิเมตร หยดน้ำที่มีขนาดใหญ่ทำให้เกิดรุ้งตัวใหญ่ คือมีแถบกว้างรัศมีความโค้งมาก มีสีสดใสและสว่างกว่ารุ้งที่เกิดจากละอองน้ำขนาดเล็ก แสงอาทิตย์ที่ส่องมากระทบละอองน้ำนั้นจะส่องมากระทบละอองน้ำทุกส่วนพร้อมๆ กัน ทำให้รังสีของแสงอาทิตย์ทุกลำแสงหักเหเข้าสู่ภายในละอองน้ำ แล้วกระทบกับผิวด้านหลังของละอองน้ำจะเกิดการสะท้อนกลับภายในละอองน้ำแล้วหักเหออกสู่บรรยากาศดังรูป 1
 

รูป 1 แสดงรังสีของแสงอาทิตย์ส่องกระทบหยดน้ำที่บริเวณต่าง ๆ กัน

จากรูป 1 จะเห็นว่าแสงอาทิตย์แต่ละรังสีตั้งแต่กระทบละอองน้ำจนกระทั่งออกจากละอองน้ำจะมีการเปลี่ยนทิศทางไปจากเดิมไม่เท่ากัน รังสีของแสงอาทิตย์ที่เปลี่ยนไปจากแนวเดิม 138 องศา จะทำให้เกิดรุ้งตัวแรกที่เรียกว่า รุ้งปฐมภูมิ ส่วนรังสีของแสงที่เปลี่ยนไปจากแนวเดิม 130 องศา จะทำให้เกิดรุ้งตัวที่สองที่เรียกว่า รุ้งทุติยภูมิ และบริเวณที่ว่างระหว่างรุ้งตัวแรกกับรุ้งตัวที่สองจะมืดกว่าบริเวณอื่นๆ มีชื่อเรียกว่า แถบมืดอเล็กซานเดอร์ (Alexander’s dark band) ดังแสดงในรูป 2
 

รูป 2 แสดงการเกิดรุ้งตัวแรกและตัวที่สอง

จากรูปที่ 2 จะเห็นว่ารุ้งตัวแรกและรุ้งตัวที่สองจะทำมุมกับทิศทางของแสงอาทิตย์ที่ส่องผ่านผู้สังเกตเป็นมุม 42 องศา และ 50 องศา ตามลำดับ ดังนั้น ตำแหน่งของรุ้งที่เกิดขึ้นจึงขึ้นอยู่กับตำแหน่งของดวงอาทิตย์ คือ ถ้าดวงอาทิตย์อยู่สูงๆ บนท้องฟ้า เช่น ช่วงเวลาสายหรือบ่ายจะเห็นรุ้งบริเวณต่ำๆ ใกล้พื้นดิน แต่ในช่วงเวลาเช้าหรือเย็นซึ่งดวงอาทิตย์อยู่ใกล้ขอบฟ้าจะเห็นรุ้งบริเวณสูงๆ บนท้องฟ้า แต่อย่างไรก็ตาม ถ้าดวงอาทิตย์อยู่สูงจากขอบฟ้ามากกว่า 42 องศา ผู้สังเกตที่อยู่บนพื้นโลกจะไม่สามารถเห็นรุ้งตัวแรกได้เลย
รุ้งตัวแรกและรุ้งตัวที่สองเกิดขึ้นคนละตำแหน่งกัน เนื่องจากรังสีของแสงอาทิตย์ที่ส่องมากระทบหยดน้ำเกิดการหักเหและสะท้อนกลับหมดหลายครั้งดังแสดงในรูป 3

 

รูป 3 แสดงการหักเหและการสะท้อนกลับที่เกิดขึ้นเมื่อรังสีของแสงส่องกระทบหยดน้ำ

จากรูป 3 เมื่อแสงอาทิตย์เดินทางผ่านอากาศไปกระทบหยดน้ำ รังสีส่วนหนึ่งจะเกิดการสะท้อนที่ผิวรอยต่อระหว่างตัวกลางที่เป็นอากาศกับน้ำ ให้ชื่อรังสีสะท้อนนี้ว่ารังสี ก. ซึ่งมีลักษณะเช่นเดียวกับรังสีของแสงอาทิตย์ รังสีของแสงอาทิตย์อีกส่วนหนึ่งจะหักเหเข้าไปในหยดน้ำไปกระทบกับด้านหลังของหยดน้ำ เกิดการหักเหออกสู่บรรยากาศ ให้ชื่อว่ารังสี ข. ส่วนที่เหลือจะเกิดการสะท้อนภายในหยดน้ำไปกระทบกับผิวรอยต่อระหว่างหยดน้ำกับบรรยากาศ ซึ่งจะมีรังสีส่วนหนึ่งหักเหออกสู่บรรยากาศ ให้ชื่อว่า รังสี ค. รังสีนี้เองที่ทำให้เกิดรุ้งตัวแรก ส่วนรังสีที่เหลือก็จะสะท้อนภายในหยดน้ำไปกระทบกับผิวรอยต่อของตัวกลาง เกิดการหักเหออกสู่บรรยากาศเป็นรังสี ง. ซึ่งเป็นรังสีที่ทำให้เกิดรุ้งตัวที่สองและมีสีต่างๆ เรียงลำดับกลับกับรุ้งตัวแรก รังสีที่เหลือก็จะสะท้อนภายในหยดน้ำไปกระทบกับผิวของหยดน้ำเกิดการหักเหออกสู่บรรยากาศเช่นนี้เรื่อยไป จะสังเกตว่ารุ้งตัวแรกเกิดจากการสะท้อนภายในหยดน้ำ 1 ครั้ง รุ้งตัวที่สองเกิดจากการสะท้อนภายในหยดน้ำ 2 ครั้ง ตามหลักการแล้วจะเกิดรุ้งตัวที่ 3, 4, 5… ซึ่งเกิดจากการสะท้อนภายในหยดน้ำ 3, 4, 5… ครั้งตามลำดับ แต่เนื่องจากรังสีอาทิตย์ที่ส่องมากระทบหยดน้ำจะให้เกิดรุ้งตัวแรกก่อน แล้วรังสีที่เหลือจึงทำให้เกิดรุ้งตัวที่สองจึงทำให้รุ้งตัวแรกมีสีเข้มและชัดเจนกว่ารุ้งตัวที่สอง ส่วนรุ้งตัวที่ 3, 4, 5… จะไม่มีโอกาสเห็นเลยเนื่องจากรังสีของแสงอาทิตย์ที่เหลือจากการเกิดรุ้งตัวที่สองมีความเข้มน้อยมาก จนไม่สามารถมองเห็นได้ ซึ่งในปรากฏการณ์ธรรมชาติมักจะเห็นรุ้งเพียงตัวเดียว ซึ่งเป็นรุ้งตัวแรกเสียส่วนใหญ่ 
แสงสีต่างๆ ของรุ้งเกิดจากแสงอาทิตย์ซึ่งประกอบด้วยแสงสีต่างๆ ที่มีความยาวคลื่นแตกต่างกัน เมื่อเดินทางผ่านตัวกลางโปร่งใสจากตัวกลางหนึ่ง (อากาศ) ไปยังอีกตัวกลางหนึ่ง (หยดน้ำ) จะเกิดการหักเหต่างกัน เช่นเดียวกับเมื่อให้แสงอาทิตย์ส่องผ่านปริซึมจะเกิดการกระจายแสง เนื่องจากแสงสีต่างๆ มีการหักเหไม่เท่ากัน ในกรณีของการเกิดรุ้งแสงสีม่วงหรือน้ำเงินจะหักเหได้มากกว่าแสงสีแดง ทำให้รุ้งตัวแรกมีแถบสีม่วงอยู่ด้านล่างและแถบสีแดงอยู่ด้านบน ดังแสดงในรูป 4

 

รูป 4 แสดงการเกิดรู้งตัวแรก   รูป 5 แสดงการเกิดรู้งตัวที่สอง



รุ้งตัวที่สองที่เกิดจากรังสี ง. ในรูป 3 เกิดขึ้นคล้ายๆ กับรุ้งตัวแรกแต่เกิดจากการสะท้อนแสงภายในหยดน้ำ 2 ครั้ง จึงทำให้มีการเรียงลำดับแถบสีกลับกับรุ้งตัวแรก โดยมีแถบสีแดงอยู่ด้านล่างและแถบสีม่วงอยู่ด้านบน ดังแสดงในรูป 5 จากรูป 4 จะเห็นว่ารุ้งตัวแรกเกิดจากรังสีของแสงอาทิตย์ส่องเข้าทางซีกบนของหยดน้ำ ซึ่งทำให้แนวลำแสงเปลี่ยนทิศทางไปจากเดิมไม่น้อยกว่า 138 องศา ส่วนรุ้งตัวที่สองดังแสดงในรูป 5 เกิดจากลำแสงส่องเข้าทางซีกล่างของหยดน้ำและทำให้แนวรังสีเปลี่ยนทิศทางไปจากเดิมไม่เกิน 130 องศา ดังนั้นบริเวณของท้องฟ้าระหว่างมุม 138 องศาและ 130 องศาดังกล่าวจะไม่มีลำแสง ค. และ ง. เลย ซึ่งเป็นบริเวณระหว่างรุ้งตัวแรกกับรุ้งตัวที่สอง จึงทำให้บริเวณนี้มืดกว่าท้องฟ้าบริเวณอื่นๆ
ถ้าสังเกตรุ้งที่เกิดขึ้นในธรรมชาติจะพบว่า บางครั้งจะเห็นแถบสีเขียวและชมพูอยู่ทางด้านล่างของรุ้งตัวแรกเป็นแถบโค้งขนานกับรุ้ง ซึ่งเรียกว่า Supernumerary arcs แถบโค้งดังกล่าวเกิดจากการแทรกสอดของลำแสงต่างๆ ที่ส่องกระทบหยดน้ำบริเวณใกล้ๆ กับลำแสงที่ทำให้เกิดรุ้งตัวแรก ดังแสดงในรูป 6

 

รูป 6  แสดงแนวรังสี 2 แนวที่ทำให้เกิด Super-numerary arcs


จากรูป 6 รังสีของแสงที่ทำให้เกิดรุ้งตัวแรกเป็นเส้นหนา ส่วนรังสี X และ Y เป็นรังสีที่ส่องกระทบหยดน้ำในบริเวณใกล้ๆ กับรังสีที่ทำให้เกิดรุ้ง เมื่อรังสี X และ Y เดินทางผ่านหยดน้ำจะเกิดการหักเหและสะท้อนภายในหยดน้ำออกสู่บรรยากาศเมื่อพิจารณารังสีก่อนเข้าสู่หยดน้ำและเมื่อออกจากหยดน้ำแล้วจะเห็นรังสี X และ Y ขณะออกจากหยดน้ำจะขนานกันเนื่องจากเปลี่ยนทิศทางไปจากแนวเดิมเท่ากัน แต่มากกว่าการเปลี่ยนแปลงทิศทางของรังสีที่ทำให้เกิดรุ้ง รังสี X และ Y ก่อนเข้าสู่หยดน้ำที่บริเวณ A จะมีเฟสตรงกัน แต่เมื่อออกจากหยดน้ำที่บริเวณ B เฟสของรังสีทั้งสองอาจจะตรงกันหรือตรงข้ามกันก็ได้ ทั้งนี้เพราะทางเดินภายในหยดน้ำของรังสี X และ Y แตกต่างกัน ในกรณีที่บริเวณ B เกิดเฟสตรงกันจะเกิดการแทรกสอดกันแบบเสริมสร้าง ทำให้เกิดแถบสว่างสีเขียวและสีชมพู ส่วนในกรณีที่เกิดเฟสตรงกันข้ามจะเกิดการแทรกสอดแบบหักล้างทำให้เกิดเป็นแถบมืด การที่จะเกิดการแทรกสอดแบบใดนั้น ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นของแสง ขนาดของหยดน้ำ และมุมที่รังสีของแสงหักเหออกจากหยดน้ำ ในกรณีที่หยดน้ำมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.01 มิลลิเมตร จะทำให้เกิดการแทรกสอดแบบเสริมสร้างเกิดเป็นแถบสว่างสีเขียวและชมพู ส่วนหยดน้ำขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางมากกว่า 0.01 ถึง 1 มิลลิเมตร จะทำให้เกิดการแทรกสอดแบบหักล้างเกิดเป็นแถบมืด
จากเรื่องราวของรุ้งที่กล่าวมาข้างต้นอธิบายได้ด้วยสมบัติของแสงหลายประการ ได้แก่ การสะท้อน การหักเห การกระจาย และการแทรกสอดของแสง ซึ่งสมบัติต่างๆ เหล่านี้ผูกพันอย่างใกล้ชิดกับปรากฏการณ์ธรรมชาติที่เกี่ยวข้องกับแสงอีกหลายอย่าง

เรื่องราวของรุ้งยังไม่จบเพียงเท่านี้ ยังมีเรื่องราวที่น่าสนใจอีกหลายเรื่อง ซึ่งจะนำมาเสนอต่อไป

เอกสารอ้างอิง
Halen Valey. Color The Knapp Press, 1980.
R. Daniel Overheim and David L. Wagner, Light and Color, John Wiley and son Inc., 1982.
The Illustrated Science and Invention Encyclopedia No. 14 H.S. Stuttman Co., Inc., New York, 1977.