מה נמצא מעבר לקשת בענן?
מדור חדש בודק תופעות מסקרנות ומעניינות ומסביר את הסיבות הפיזיקליות שגורמות להן. והפעם: על גלים בכלל, וגלים אלקטרומגנטיים בפרט
חלק ניכר מהתופעות שאנו רואים סביבנו מקורן בהתנהגות גלית. כאשר אנו מדברים על גל, הכוונה היא לתנודה מחזורית בעלת תכונות מסוימות: הגל צריך לעבור בתוך "משהו" שבהיעדר הגל נמצא במנוחה. "משהו" כזה מכונה התווך שבו עובר הגל (משום שהגלים עוברים בתוכו). הגל הוא בעל עוצמה מסוימת. איך יודעים מהי העוצמה? בודקים בכמה משתנה התווך כאשר הגל עובר בו. אם, למשל, ניקח קפיץ ארוך שקצהו קשור לקיר, ונטלטל את הקצה השני מעלה ומטה, נקבל גלים העוברים בקפיץ.
העוצמה שלהם היא המידה שבה הקפיץ זז למעלה ולמטה, בהשוואה למצבו הנינוח, שבו איש אינו מטריד את קצהו בטילטולים. לגל יש מהירות מסוימת: גל מים, למשל, מתקדם לקראת החוף בדיוק במהירות הדרושה כדי להרטיב את רגלינו בטרם נספיק לזוז מדרכו. לגלים גם יש תדירות, שהיא הקצב שבו אנו מניעים בידנו את קצה הקפיץ, כאשר הקצה השני מחובר לקיר. התדירות אומרת כמה תנודות חולפות ביחידת זמן, למשל בשנייה, בכל אחת מנקודות הקפיץ. המהירות והתדירות מגדירות אורך גל – המרחק משיא אחד של הגל ועד השיא האחר. זה אותו מרחק גם מהנקודה הנמוכה ביותר של הגל ועד הנקודה הנמוכה הבאה.
סוגים שונים של קרינה
האור הנראה שבו מצלמים משחק כדורגל חשוב, גלי הרדיו באמצעותם משדרים את המשחק, הקרינה האולטרה-סגולה החורכת את עורם של האוהדים, וקרינת הרנטגן בה מצלמים את העצמות השבורות לאחר המהלומות ביציע – כל אלה סוגים שונים של קרינה אלקטרומגנטית. ההבדל ביניהם הוא בתדירות. מהו התווך שבו עובר גל אלקטרומגנטי? אנו יודעים כי גל כזה מסוגל לעבור בחלל הריק, מאחר שקרינת השמש והכוכבים עוברת מרחקים גדולים של חלל ריק ומגיעה לעינינו. לפיכך, זה אינו גל העובר בחומר, כמו גל שיוצרים בקפיץ או במים. הגל האלקטרומגנטי הוא תנודה בשדה האלקטרומגנטי.
מהו שדה אלקטרומגנטי? ידוע לנו מהו כוח אלקטרומגנטי. זהו, למשל, הכוח שמטען חשמלי חיובי דוחה בו מטען חשמלי חיובי אחר. כעת, נחזיק את אחד המטענים במקום, ונבחן את יכולתו להשפיע על מטענים אחרים. ברצוננו לבדוק מה היה הכוח הפועל על מטענים חיוביים אחרים אילו היינו מניחים אותם במקומות שונים במרחב. מטענים כאלה מכונים "מטעני בוחַן".
אנו יוצרים מעין "מפה" מרחבית של יכולתו של המטען להשפיע על מטענים אחרים. זהו השדה שיוצר המטען. השדה הוא וקטור: יש לו גודל, המציין את עוצמת הכוח שהמטען יכול להפעיל על מטען הבוחן (וכוח זה קטן כשמתרחקים ממנו), ויש לו כיוון, המציין את הכיוון שאליו פועל הכוח.
האור, הרדיו ושאר סוגי הקרינה הם תנודות מחזוריות בשדה האלקטרומגנטי. בהשפעת קרן אור, יתחיל מטען הבוחן להתנודד. החץ המציין את הכוח שיפעל על מטען בוחן בנקודה מסוימת ישתנה במחזוריות: יצביע למעלה, אורכו ילך ויקטן, יתאפס ואז יצביע למטה, ושוב יקטן אורכו, יתאפס, ויתחיל להצביע שוב כלפי מעלה. כאמור, התדירות היא שקובעת מהי הקרינה, ואם מדובר באור נראה, התדירות היא שקובעת מהו צבע האור.
צבעי הקשת מסודרים באופן טבעי לפי התדירויות: אדום, שהוא בעל התדירות הנמוכה ביותר, ואז כתום, צהוב, ירוק, כחול וסגול, שהוא האור הנראה בעל התדירות הגבוהה ביותר. מעבר לו, בתדירויות גבוהות יותר, נמצא האולטרה-סגול, שאינו נראה לעינינו. מנורות אולטרה-סגול מהסוג המאיר את בגדיהם הלבנים של אנשים הלומי-אלכוהול במסיבות אינן מקרינות באמת קרינה אולטרה-סגולה, שכן איננו מסוגלים לראות תדירויות אלה; זהו אור הנמצא בקצה העליון של האור הנראה, סמוך מאוד לאולטרה-סגול.
תדירותו של האור הלבן
מהי תדירותו של האור הלבן? לאור הלבן אין תדירות מסוימת. הלבן הוא תערובת של אורכי גל שונים של אור. הצבע הלבן הוא הרושם הנוצר בעינינו ובמוחותינו, אשר הינם מוגבלים מכדי להפריד בין התדירויות השונות ולראותן בנפרד. לשם השוואה, בחוש השמיעה יש ביכולתנו להפריד בין תדירויות שונות של גלי קול.
מהירות האור בריק היא קבועה. ערכה שווה לכל התדירויות והוא כ-299,792 ק"מ בשנייה. מהירות האור בחומר שקוף שונה. מהירות האור בתוך מים, שמן או יהלום נמוכה ממהירותו בריק. הדבר תלוי בתכונה של החומר המכונה "מקדם שבירה", וגם בתדירות הקרינה. ככל שהתדירות גבוהה יותר, האור מואט במידה משמעותית יותר.
ההבדל במהירות האור גורם להסטת הכיוון של קרן האור (תהליך המכונה שבירה) במעברה בין תווך אחד לאחר, בעל מקדם שבירה שונה. שימו כפית בתוך כוס מים שקופה והתבוננו בה מלמעלה ומהצד. קרן האור משנה את כיוונה, ולכן הכף נראית "שבורה". הדבר מתרחש רק אם הקרן אינה ניצבת לפני המים (או היהלום, או הזכוכית). אם היא ניצבת, אין שבירה. מדוע שינוי במהירות הקרן גורם לה לשנות את כיוונה, כלומר להישבר?
צד אחד מואט, צד אחר לא
ניתן להבין זאת כך: נדמיין קרן בעלת רוחב מסוים, העוברת מתווך בו היא נעה מהר לתווך אחר בו מהירות האור קטנה יותר. צד ימין של הקרן פוגע בתווך החדש לפני צד שמאל. לכן צד ימין מואט, והצד השני עדיין לא. בעקבות זאת, חזית הקרן משנה את כיוונה. קרני האור מבצעות תרגילים כאלה באורח יומיומי, אך הנה דוגמה מקבילה שעשויה לגרום סיוטי לילה לכל נהג: מכונית מנסה לבלום, ולפתע צד אחד שלה מחליק על כתם שמן שעל הכביש.
בעקבות זאת נוצר הפרש מהירויות בין שני צידי המכונית, והיא מבצעת סיחרור חסר שליטה. באופן דומה נגרם שינוי הכיוון של קרן האור, בהבדל אחד: כאשר חזית הקרן נמצאת כולה בתווך אחד, היא חדלה להסתובב ומתייצבת במסלולה החדש, בעוד המכונית ממשיכה להסתובב עוד זמן-מה, בשל שימור התנע הזוויתי.
כאמור, המהירות בתווך מושפעת מהתדירות. לכן, כאשר מתרחשת שבירה של קרן אור המכילה תדירויות שונות, כל תדירות תקבל זווית שונה במקצת. לכן כל צבע יצא בזווית שונה. הקרן עוברת נפיצה. זהו התהליך המתרחש במנסרה, ביהלום (או בחיקוי מוצלח) מלוטש היטב ובטיפות הגשם.
מתי נוצרת הקשת בענן?
קשת בענן נוצרת כאשר אור לבן, הכולל תדירויות שונות, פוגע בטיפה. המעבר מאוויר למים גורם לנפיצה. האור חודר לתוך הטיפה וחלקו יוצא מצידה השני, אך חלק מוחזר ממנו (בדומה להשתקפות דמותנו בחלון – אנו רואים החזרה בנוסף לאור שאנו רואים מצידו השני של החלון). היציאה לאוויר גורמת לנפיצה נוספת והאור יוצא כשצבעיו מופרדים. בהנחה שטיפת המים כדורית, הזווית בין הקרן הנכנסת לקרן היוצאת קבועה, והיא בין 40 ל-42 מעלות. הזווית הרחבה – 42 מעלות – עבור האור האדום, והזווית הקטנה – 40 מעלות – עבור האור הסגול. לכן, אם אנו עומדים בגבנו אל השמש, כל טיפה שמיקומה יוצר זווית של 40 מעלות בין אור השמש לבין הצופה תראה אור סגול, ואילו טיפה היוצרת זווית של 42 מעלות תתן אור אדום. הטיפות שביניהן ייתנו את שאר הצבעים: כחול, ירוק, צהוב וכתום.
צורתה האמיתית של הקשת-בענן איננה קשת. אוסף הטיפות המחזירות את האור המהווה את הקשת נמצא על חרוט, שקודקודו בעיני הצופה, וגודלו ומיקומו נקבעים לפי תנאי מזג האוויר: רוחב האזור הגשום, מרחקו מהצופה וזווית השמש בשמיים. לרוב אנו רואים רק קטע מהחרוט, מאחר שהאדמה מגלה חוסר שיתוף פעולה ומתעקשת לבלוע את טיפות הגשם, אך קשת הנראית ממטוס היא עגולה לחלוטין. קשת עגולה ניתן ליצור גם באמצעות התזת מים מצינור גינה.
במאמר הבא: עוד על גלים, ובפרט על גלי קול וגלי מים: מה קורה למי שיושב בדיוק בין הרמקולים, ולמה הגלים לא סוחפים את האוניות אל החוף.
