איך נוצרת קשת בענן ואיך אפשר ליצור קשת גם בימי הקיץ החמים ונטולי הגשם?

בניסוי הזה נלמד אין נוצרת קשת בענן, ואיך אנו יכולים ליצור קשת משלנו גם בקיץ.

ציוד

  • מתיזן (שפריצר) – אפשר להשתמש גם בזה של חומר ניקוי, אבל יש לשטוף אותו במים לפני הניסוי. לחלופין אפשר להשתמש בצינור גינה בעל פִּיית התזה של טיפות קטנות. 

הניסוי

את מהלך הניסוי אפשר לראות בסרטון:

לבן זה הכל

כולנו לומדים מגיל צעיר שכאשר גשם יורד כשהשמש מאירה, כדאי לחפש בשמיים את הקשת בענן: מופע מרהיב של צבעים, המסודרים זה לצד זה. מתברר שהמקור של הצבעים הוא אור השמש עצמו. אמנם אור השמש נראה לנו לבן או לבן צהבהב, אבל הוא מכיל את כל צבעי הקשת מעורבבים. כאשר מערבבים יחד אורות מכל צבעי הקשת – מקבלים צבע לבן. כלומר לבן הוא אינו צבע טהור, אלא הצבע שמתקבל מתערובת של כל צבעי האורות יחד, למעשה מספיק אפילו שנערבב רק אור ירוק, אדום וכחול כדי לקבל אור לבן, כפי שרואים בהדגמה:

במרכז – שבו כל שלוש האלומות חופפות – האור נראה לבן (שימו לב שמדובר באורות, לא להתבלבל עם צבעים שאיתם אנו מציירים, שם ערבוב של כולם נותן דווקא צבע שחור).

נפיצה

אז ראינו שכאשר מערבבים כמה אורות יחד, מתקבל אור לבן, מה שעושה טיפת גשם (או טיפת מים בניסוי שלנו) זה התהליך ההפוך לערבוב – הפרדה. כלומר הטיפה מפרידה את האור הלבן למרכיבים שלו.

כיצד זה מתרחש? אור השמש פוגע בטיפות המים ורובו עובר אותן ויוצא מצידן השני כי המים הם כמובן שקופים - זהו אינו התהליך שיוצר לנו קשת. אבל חלק קטן מקרני האור שנכנס לתוך טיפות המים גם מוחזר מהן חזרה – וזהו האור שיוצר את הקשת. כאשר אור עובר מחומר אחד (תווך אחד, בשפה המדעית), כמו אוויר, לחומר אחר, כמו מים, הוא עובר תהליך שנקרא שבירה, כלומר קרני האור משנות מעט את כיוונן. הסיבה לכך היא הבדלים בין מהירויות התנועה של האור בחומרים שונים. נסו לדמיין רכיבה על אופניים על מדרכה קשה, ואז מעבר לנסיעה בחול עמוק. מי שהתנסה בכך שם לב שבחול הנסיעה קשה ואיטית יותר, ובזמן המעבר מהמדרכה לחול האופניים סוטים מעט לכיוון אחר. האור מתנהג באופן דומה.

כאמור, אור לבן מורכב מתערובת של אורות בכל צבעי הקשת. צבעים שונים של אור, מואטים במידה שונה כאשר עוברים בתוך חומר – לכן הם גם נשברים בזוויות שונות. כתוצאה מכך אלומה אחת של אור לבן שנכנסת לטיפת מים ונשברת בתוכה – מופרדת לצבעים המרכיבים אותה בתהליך המכונה נפיצה. כאילו כל הצבעים נפוצים לכל עבר, כל אחד בזווית שונה מעט. למעשה האור נשבר פעמיים – פעם אחת כשהוא נכנס מהאוויר לתוך טיפת המים, ופעם שנייה כשהוא יוצא ממנה אל האוויר, כפי שאפשר לראות באנימציה:


תהליך היווצרותה של קשת בענן | אנימציה: אבי סאייג

שימו לב שהצבעים לא נפרדים בסדר אקראי – אלא תמיד באותו סדר: אדום, כתום, צהוב, ירוק, כחול וסגול. זה בגלל שהצבעים שאנו רואים הם ביטוי להבדל פיזיקאלי: האור הוא סוג של גל, ולכל צבע אור יש 'אורך גל' (מרחק בין שני שיאי גל) המאפיין אותו ואותו בלבד, סדר הצבעים הנ"ל הוא סדר אורכי הגל – כאשר לאור אדום אורך הגל הארוך ביותר, ולסגול – הקצר ביותר.

עניין של זוויות

כל טיפה וטיפה של גשם – שוברת ומפרידה את האור לכל צבעי הקשת. דרושות הרבה מאוד טיפות מים שמפרידות את האור כדי שאנו נוכל לראות את הקשת. כדי שנוכל לראות משהו אנחנו חייבים שהאור יפגע בעין שלנו. כאמור, כל צבע נשבר בזווית האופיינית לו. אדום, למשל, יוצא מטיפת המים בזווית של כ- 42 מעלות ביחס לקרן האור שפגעה בו, וסגול בזווית של כ- 40 מעלות. ולכן אנחנו נראה אור אדום רק מטיפות גשם שהזווית שנוצרת בין השמש, הטיפות, והעין שלנו (כאשר הטיפה בקודקוד הזווית) היא 42 מעלות, ואילו סגול נראה רק מקרני אור שיוצרות זווית של 40 מעלות – כלומר נשברו בטיפות נמוכות יותר. כל שאר הצבעי הקשת נשברים בין הזוויות האלו ולכן יופיעו בין הצבע האדום שנמצא למעלה בקשת לבין הסגול שנמצא בחלקה התחתון. מכיוון שהשמש שולחת את קרניה לכל הכיוונים במעגל, גם הטיפות הללו מסודרות במעגל, אבל לרוב אנחנו נראה רק חלק ממנו – צורה של קשת, כי הקרקע שבאופק תסתיר לנו את הקשת המלאה, העגולה.

בקשת, כל צבע אור 'נשבר' בזווית יחודית לו, אנו רואים קשת רק במקומות בהן הזוויות מתאימות בין השמש, טיפות המים והעיניים שלנו | יוצר לא ידוע
בקשת, כל צבע אור נשבר בזווית יחודית לו, אנו רואים קשת רק במקומות שבהן הזוויות מתאימות בין השמש, טיפות המים והעיניים שלנו | יוצר לא ידוע

בטיסה גבוהה מספיק במטוס, אפשר לפעמים לראות קשת עגולה מלאה, כשהקרקע לא מסתירה.

עניין הזוויות הזה, של קרני האור המוחזרות מהטיפות, הוא הגורם לכך שלעולם לא נצליח לראות קשת בענן בשעות הצהריים – כאשר השמש בדיוק מעל מרכז השמיים – כי אז הקשת מוקרנת חזרה מעלה, ולא יכולה ליצור זוויות מתאימות לצפייה. נוכל לראות קשת בענן רק כשהשמש נמוכה ברקיע (בבוקר או בערב). גם את הניסוי שלנו כדאי לעשות בשעות אלו. אם עושים אותו בצהריים – חפשו את הכיוון הנגדי לשמש, כלומר ממש מתחת לרגליכם, לפעמים עוזר לעמוד על כיסא כדי לראות את הקשת במצב כזה.

כל אחד והקשת שלו

מעניין לציין שבגלל עניין הזוויות, כל אדם שמסתכל בקשת בעצם רואה קשת ייחודית רק לו! שנוצרת מטיפות המים שמקיימות את הזוויות בין השמש, הטיפות והעיניים של הצופה. מכיוון שכל אדם עומד במקום שונה, הוא רואה קשת שנוצרת מטיפות שונות מאלו המרכיבות את הקשת שרואה אדם אחר. בניסוי שלנו אפשר להיווכח בכך בקלות – בצעו את הניסוי עם אדם נוסף ובקשו ממנו להצביע היכן הוא רואה את הקשת – הוא יצביע על מקום קצת שונה מהמקום שבו אתם רואים אותה!

ולסיום – שאלנו כמה ילדי גנים, כיצד לדעתם נוצרת הקשת (ובסוף הוספנו את ההסבר המדעי):