ไขความลับของรุ้งกินน้ำ ทำไมสายตาแต่ละคนมองเห็นไม่เหมือนกัน

แสงอาทิตย์เริ่มส่องลอดผ่านฝนที่เพิ่งโปรยปรายผ่านไป คุณเงยหน้าขึ้นและเห็นสายรุ้งอันงดงามทอดโค้งอยู่บนท้องฟ้า เช่นเดียวกับเพื่อนที่ยืนอยู่ข้างคุณ

แต่สิ่งที่คุณอาจไม่ทันสังเกตก็คือ สายรุ้งที่คุณเห็นแตกต่างเล็กน้อยจากที่เพื่อนเห็น

อันที่จริงแล้วสายรุ้งแต่ละสายมีเอกลักษณ์เฉพาะเมื่อมองจากสายตาของผู้ที่มองเห็นแต่ละคน เพราะสายรุ้งไม่ใช่วัตถุที่จับต้องได้หากแต่เป็นปรากฏการณ์ทางแสงที่เกิดขึ้นเฉพาะกับสายตาของแต่ละคนที่มองเห็น

อยู่คนละมุม เห็นรุ้งคนละแบบ

"สายรุ้งคือปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นเมื่อแสงอาทิตย์ซึ่งเป็นแสงสีขาวถูกสะท้อนและหักเหผ่านหยดน้ำฝนจำนวนนับล้านในท้องฟ้า" ฟิลิป ลาเวน ผู้เชี่ยวชาญด้านสายรุ้ง กล่าวกับรายการ คราวด์ ไซเอนซ์ (CrowdScience) ของบีบีซี เวิลด์ เซอร์วิส

การจะมองเห็นสายรุ้งกินน้ำ ดวงอาทิตย์ต้องอยู่ด้านหลังของคุณ ขณะที่หยดน้ำฝนต้องอยู่ด้านหน้าคุณ และแสงอาทิตย์ต้องสามารถส่องไปถึงฝนได้โดยไม่ถูกก้อนเมฆบดบัง

จากนั้นเรขาคณิตอันน่าอัศจรรย์ก็จะปรากฏขึ้น

ลาเวนอธิบายว่า เมื่อแสงตกกระทบหยดน้ำฝน มันจะเคลื่อนที่ช้าลงในน้ำและเกิดการหักเห ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า "การหักเหของแสง"

แสงสีต่าง ๆ หรือแสงที่มีช่วงความยาวคลื่นต่างกัน จะหักเหในมุมที่แตกต่างกันเพียงเล็กน้อย จึงทำให้แสงสีขาวกระจายออกเป็นสีสันต่าง ๆ ที่ประกอบกันขึ้นมา

เมื่อรังสีแสงไปกระทบด้านหลังของหยดน้ำฝนแล้ว จากนั้นจะเกิดการสะท้อนจากผิวด้านในของหยดน้ำ แล้วจึงเกิดการหักเหอีกครั้งหนึ่งเมื่อรังสีแสงเดินทางไปถึงขอบอีกด้านของหยดน้ำ ส่งผลให้สีแยกออกจากกันมากยิ่งขึ้น

แสงสีแดงจะออกมาที่มุมประมาณ 42 องศาจากทิศทางเดิมของแสง ขณะที่แสงสีน้ำเงินหรือสีม่วงจะออกมาที่มุมประมาณ 40 องศา

เมื่อคุณเงยหน้ามอง หยดน้ำฝนที่อยู่สูงขึ้นไปบนท้องฟ้าบางส่วนจะหักเหแสงสีแดงในมุมที่พอดีจนเข้าสู่ดวงตาของคุณ ขณะที่แสงสีน้ำเงินในบริเวณนั้นจะถูกหักเหข้ามศีรษะของคุณไป

ส่วนหยดน้ำฝนที่อยู่ต่ำลงมาจะเป็นแสงสีน้ำเงินที่เข้าสู่ดวงตาของคุณ

ด้วยเหตุนี้ คุณจึงมักเห็นสีแดงอยู่บริเวณขอบนอกด้านบนของสายรุ้ง และเห็นสีน้ำเงินอยู่บริเวณขอบด้านในที่ต่ำลงมา

แท้จริงแล้วสายรุ้งมีลักษณะเป็นวงกลมล้อมรอบจุดศูนย์กลางที่เรียกว่า "จุดตรงข้ามดวงอาทิตย์" (antisolar point) ซึ่งตรงกับตำแหน่งเงาของศีรษะคุณพอดี แต่โดยทั่วไปเรามักไม่เห็นส่วนล่างของวงกลม เพราะอยู่ต่ำกว่าพื้นดิน

ยิ่งดวงอาทิตย์อยู่ต่ำลงเท่าใด เช่น ในช่วงที่พระอาทิตย์ขึ้นหรือพระอาทิตย์ตก คุณก็จะยิ่งเห็นวงของสายรุ้งได้มากขึ้นเท่านั้น

หากดวงอาทิตย์อยู่สูงเกิน 42 องศาเหนือเส้นขอบฟ้า แม้แต่ส่วนบนของสายรุ้งก็จะอยู่ต่ำกว่าระดับพื้นดิน

"โดยทั่วไปแล้ว คุณจะไม่ค่อยเห็นสายรุ้งในช่วงกลางวัน" ลาเวนกล่าว

หากเพื่อนของคุณยืนอยู่ทางซ้ายหรือทางขวา แสงที่ออกจากหยดน้ำฝนก็จะเดินทางไปถึงดวงตาของพวกเขาจากทิศทางที่แตกต่างออกไปเล็กน้อย

แล้วถ้าคุณขยับที่ และให้เขามายืนในตำแหน่งของคุณล่ะ? หากเขาสูงหรือเตี้ยกว่าคุณ แสงก็จะเข้าสู่ดวงตาของเขาจากทิศทางที่ต่างออกไปเช่นกัน

และแม้ว่าเขาจะมีความสูงเท่ากันและยืนอยู่ในจุดเดียวกันกับคุณ โลกก็ยังหมุนไปเล็กน้อยเมื่อเทียบกับดวงอาทิตย์ ทำให้ทิศทางของแสงเปลี่ยนแปลงไปอีก

รุ้งกินน้ำแบบคู่

หากคุณและเพื่อนโชคดีพอ คุณอาจมองเห็นสายรุ้งสองสายพร้อมกัน

"หากท้องฟ้าระหว่างคุณกับสายรุ้งค่อนข้างปลอดโปร่ง คุณก็อาจมองเห็นสิ่งที่เรียกว่า 'รุ้งทุติยภูมิ' (secondary rainbow)" ผิงหวา หลี่ นักฟิสิกส์และผู้ช่วยศาสตราจารย์จากมหาวิทยาลัยจีนแห่งฮ่องกง กล่าว

รุ้งทุติยภูมิเกิดจากแสงที่สะท้อนภายในหยดน้ำฝนสองครั้ง ก่อนจะเกิดการหักเหออกมา

ลำดับของสีจะปรากฏกลับด้าน โดยสีแดงอยู่ด้านในของส่วนโค้ง และสีม่วงอยู่ด้านนอก

เนื่องจากมุมระหว่างสีแดงและสีม่วงมีความแตกต่างมากกว่า สายรุ้งทุติยภูมิจึงดูมีความกว้างกว่าสายรุ้งปฐมภูมิ แต่แสงที่ออกมาก็มีลักษณะที่จางกว่า ทำให้มองเห็นได้ยากกว่า

แสงสามารถสะท้อนภายในหยดน้ำฝนได้มากครั้งกว่านั้นอีก

สายรุ้งลำดับที่สามหรือสี่จะปรากฏขึ้นในทิศทางเดียวกับดวงอาทิตย์ ซึ่งทำให้มองเห็นได้ยากมาก ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ผิงหวา หลี่ อธิบาย

ส่วนสายรุ้งลำดับที่ห้าซึ่งปรากฏอยู่อีกด้านหนึ่งนั้น จะมีลักษณะจางอย่างยิ่งต่อสายตาของมนุษย์ อย่างไรก็ตาม น่าทึ่งที่มีนักวิจัยสามารถบันทึกภาพสีสันอันหายากนี้ไว้ได้ในปี 2012

ขนาดเชิงมุม

สายรุ้งที่คุณเห็นอาจเกิดจากลำแสงที่แตกต่างจากสายรุ้งที่เพื่อนของคุณมองเห็น แต่มีสิ่งหนึ่งที่ไม่เปลี่ยนแปลง นั่นคือขนาดของมัน

ตามคำอธิบายของเรย์มอนด์ ลี นักอุตุนิยมวิทยาและศาสตราจารย์ด้านการวิจัยแห่งโรงเรียนนายเรือสหรัฐฯ ที่เกษียณแล้ว ระบุว่าสายรุ้งทุกสายจะปรากฏอยู่ในพื้นที่เดียวกันด้านหน้าของผู้สังเกต

เขาอธิบายว่า เนื่องจากสายรุ้งไม่ใช่วัตถุ "มันจึงไม่มีขนาดเชิงเส้น (linear size)"

ดังนั้น ปรากฏการณ์ทางแสงนี้จึงอธิบายได้ด้วย "ขนาดเชิงมุม" (angular size) เท่านั้น นั่นคือมุมจากปลายด้านหนึ่งของส่วนโค้งไปยังอีกด้านหนึ่ง เมื่ออ้างอิงกับตำแหน่งของผู้สังเกต

"รัศมีของมันอยู่ที่ประมาณ 42 องศา ดังนั้นหากนำมาคูณสองเพื่อให้ได้เส้นผ่านศูนย์กลาง ก็จะเป็น 84 องศา" ลีกล่าว และมุมดังกล่าวก็เท่ากันเสมอ ไม่ว่าคุณจะยืนอยู่ที่ใด อย่างน้อยนี่ก็เป็นสิ่งหนึ่งที่สายรุ้งของคุณและของเพื่อนมีเหมือนกัน