كل قوس قزح رأيته من على الأرض كان في الحقيقة نصف القصة فقط. الشريط الملون الممتد عبر السماء هو هندسياً دائرة كاملة من الضوء، ووجود الأرض تحت قدميك هو ما يقطعها إلى نصفين ويُظهر لك قوساً بدلاً من حلقة كاملة. لفهم السبب يجب النظر بدقة إلى الفيزياء التي تجعل قطرة مطر واحدة تعكس وتفرّق ضوء الشمس، ولماذا يقف كل مراقب على الأرض في مركز قوس قزح خاص به لا يراه أحد آخر بنفس الطريقة تماماً.
النقطة المقابلة للشمس: دائرتك الخاصة
يتشكل قوس قزح دائماً كدائرة مركزها ما يسمى النقطة المقابلة للشمس، وهي النقطة الواقعة تماماً في الاتجاه المعاكس للشمس بالنسبة لموقعك، وهي عملياً ظل رأسك مسقطاً على السماء (أو على الأرض البعيدة إذا كانت الشمس مرتفعة). ولأن هذه النقطة تُحدَّد بالنسبة لموقع عينك بالضبط، لا يرى شخصان أبداً نفس قوس قزح بدقة؛ فالشخص الواقف بجانبك ينظر إلى دائرة مختلفة قليلاً من قطرات المطر، رغم أن الدائرتين تبدوان متطابقتين تقريباً. وهذا أيضاً سبب شعورك بأن قوس قزح يتحرك كلما تحركت أنت؛ فأنت لا تطارد نفس القوس، بل تُنتج قوساً جديداً مع كل خطوة، لكنه يظل دائماً مركزه النقطة المقابلة تماماً للشمس من موقعك الحالي.
نصف القطر الزاوي لتلك الدائرة ثابت فيزيائياً عند قرابة 42 درجة للقوس الأساسي الأكثر سطوعاً، مقيساً من النقطة المقابلة للشمس إلى الخارج. هذا الرقم لا يتغير بحجم الشمس أو الرطوبة أو الفصل؛ فهو ناتج مباشرة عن معامل انكسار الماء وهندسة انعكاس الضوء داخل قطرة كروية. ولأن الزاوية ثابتة، فإن الحجم الظاهري لقوس قزح في السماء يعتمد فقط على ارتفاع الشمس؛ فكلما اقتربت الشمس من الأفق، ارتفع القوس واتسع، وهذا هو سبب ظهور أكثر أقواس قزح دراماتيكية وارتفاعاً في الصباح الباكر أو أواخر النهار، ولماذا لا تكاد تراه أبداً عند منتصف النهار في معظم خطوط العرض.
لماذا تقطع الأرض الدائرة إلى قوس
لو كنت تطفو في السماء المفتوحة بلا أفق على الإطلاق، في منطاد على ارتفاع كبير أو تنظر من نافذة طائرة عند الزاوية المناسبة، لرأيت الهالة الدائرية الكاملة، وهي حلقة متوهجة تحيط بالكامل بالنقطة المقابلة للشمس، وقد يظهر ظل الطائرة أحياناً في مركزها تماماً. أما من مستوى الأرض، فإن الجزء من تلك الدائرة الذي كان سيقع تحت خط الأفق لا يجد شيئاً ينعكس عليه؛ إذ لا توجد قطرات مطر مضاءة هناك تلتقط نفس ضوء الشمس بنفس الزاوية، لأن الأرض نفسها تحجب كلاً من ضوء الشمس الواصل إلى تلك المنطقة وخط نظرك إليها. وكلما انخفضت النقطة المقابلة للشمس أكثر، وهو ما يحدث عندما تكون الشمس مرتفعة، اقتُطع جزء أكبر من الدائرة، حتى إنه عند زوايا شمسية مرتفعة جداً يغرق القوس النظري بالكامل تقريباً تحت الأفق ولا يظهر أي قوس قزح إطلاقاً.
يرى الطيارون والمتسلقون أحياناً الحلقة الكاملة بالضبط لأنهم يكتسبون ارتفاعاً كافياً ليكون لديهم قطرات مطر، أو فوق السحب قطيرات دقيقة، فوق وتحت خط بصرهم الأفقي في آن واحد. فمن طائرة ركاب تحلّق فوق زخة مطر، قد يرى الركاب على الجانب الصحيح من الطائرة أحياناً حلقة كاملة متوهجة حول ظل الطائرة على سطح السحب أسفلهم، وهو مشهد لافت يبرهن أن شكل القوس الذي يعرفه معظم الناس ليس سوى نتيجة للوقوف على أرض صلبة، لا خاصية متأصلة في قوس قزح نفسه.
كيف تعكس قطرة مطر واحدة الضوء وتفرّقه
يبدأ ضوء الشمس الداخل إلى قطرة مطر كروية بالانكسار أولاً، أي الانحناء، عند عبوره من الهواء إلى الماء، لأن الضوء يسير أبطأ في الماء، وتنحني الأطوال الموجية المختلفة (الألوان) بمقادير مختلفة قليلاً جداً، وهذا هو نفس تأثير التشتت الذي يستخدمه المنشور الزجاجي. ثم يسافر الضوء إلى الجدار الداخلي الخلفي للقطرة، حيث ينعكس جزء منه داخلياً بدلاً من الخروج، مرتداً تقريباً نحو الاتجاه الذي أتى منه. وعند خروج هذا الضوء المنعكس من مقدمة القطرة، ينكسر مرة ثانية، منحنياً مجدداً ومفرقاً الألوان أكثر فأكثر بعضها عن بعض. والنتيجة الصافية لهذين الانكسارين وانعكاس داخلي واحد هي أن ضوء الشمس الأبيض يدخل قطرة المطر ويخرج منها كمروحة من الألوان المنفصلة، حيث ينحني الأحمر أقل والبنفسجي أكثر.
ولأن كل قطرة مطر في السماء تؤدي هذه الحيلة البصرية نفسها بالضبط، فإن ما تراه فعلياً ليس قوس قزح قطرة واحدة، بل ملايين القطرات، كل واحدة تسهم بلون واحد يصل إلى عينك، حسب موقعها الزاوي الدقيق بالنسبة لك وللشمس. فالقطرة الواقعة عند زاوية 42 درجة تقريباً من النقطة المقابلة للشمس بالنسبة لك ترسل ضوءاً أحمر إلى عينك؛ والقطرة عند زاوية أصغر قليلاً ترسل بنفسجياً. وإذا حرّكت رأسك، تتولى مجموعة مختلفة تماماً من القطرات، الواقعة الآن عند الزوايا الصحيحة، مهمة إرسال الأحمر ثم البنفسجي وكل ما بينهما إليك، وهذا سبب بقاء قوس قزح ثابتاً ظاهرياً في السماء رغم أن قطرات الماء التي تنتج الألوان التي تراها تتساقط وتُستبدل باستمرار.
لماذا يكون الأحمر دائماً في الخارج
ترتيب الألوان في قوس قزح الأساسي ليس عشوائياً أبداً ولا معكوساً في الظروف العادية؛ فالأحمر يقع دائماً على الحافة الخارجية للقوس والبنفسجي على الحافة الداخلية، وبينهما البرتقالي والأصفر والأخضر والأزرق بالترتيب المألوف. وينتج هذا الترتيب مباشرة من فيزياء الانكسار؛ إذ ينحني الضوء البنفسجي بحدة أكبر من الأحمر في كل مرة يعبر فيها من الهواء إلى الماء والعودة، لذلك ينتهي الضوء البنفسجي الخارج من قطرة المطر مركّزاً عند زاوية أضيق قليلاً، نحو 40 درجة، من الضوء الأحمر البالغة زاويته نحو 42 درجة. ولأن عينك تستقبل الضوء من أي قطرات تقع عند الزاوية الصحيحة لكل لون، فإن الشريط الأبعد ظهوراً، المقابل للزاوية الأوسع، يكون بالضرورة أحمر، والشريط الأقرب للمركز بنفسجياً.
وينطبق المنطق نفسه على قوس قزح الثانوي الأخفت الذي يظهر أحياناً كقوس ثانٍ أخفت خارج القوس الأساسي، بألوان معكوسة: البنفسجي في الخارج والأحمر في الداخل. يتشكل القوس الثانوي من ضوء ينعكس مرتين داخل قطرة المطر بدلاً من مرة واحدة، وهو ما يعكس ترتيب الألوان ويوسّع أيضاً الزاوية التي ينتشر عندها الضوء إلى نحو 51 درجة، مما يجعله أخفت بشكل ملحوظ لأن جزءاً أكبر من طاقة الضوء الأصلية يُفقد عند كل ارتداد إضافي. وبين القوسين، يلاحظ المراقبون أحياناً شريطاً داكناً واضحاً من السماء يسمى شريط ألكسندر الداكن، ناتجاً عن أن قطرات المطر لا ترسل تقريباً أي ضوء إلى العين عند الزوايا الواقعة بين نطاقي القوس الأساسي والثانوي.
لماذا تحتاج الشمس خلفك والمطر أمامك
لا يمكن أن يظهر قوس قزح إلا عندما تكون الشمس خلف المراقب والمطر، أو الرذاذ أو الضباب، موجوداً أمامه، لأن النقطة المقابلة للشمس، مركز الدائرة، يجب أن تكون مرئية، وهذه النقطة بحكم تعريفها تقع تماماً في الاتجاه المعاكس للشمس. ولهذا يعرف هواة مطاردة قوس قزح بالفطرة أن عليهم التحقق من سطوع الشمس على ظهورهم قبل البحث عن قوس في زخة مطر قريبة، ولا ترى أبداً قوس قزح بالنظر مباشرة نحو الشمس. ويفسر هذا أيضاً شيوع ظهور أقواس قزح عند شروق الشمس وغروبها بالقرب من زخات مطر عابرة؛ فمع انخفاض الشمس عند أحد جانبي الأفق، تنخفض نقطتها المقابلة أيضاً عند الجانب الآخر، مما يضع مركز دائرة قوس قزح المحتملة عند ارتفاع مريح يسهل رؤيته فوق الأرض بدلاً من أن يكون مدفوناً قرب قدميك أو مرتفعاً بشكل يستحيل رؤيته.
وتعمل الفيزياء نفسها مع أي قطرات ماء معلقة، وليس المطر المتساقط فقط؛ فخراطيم الحدائق والشلالات ورذاذ المحيط وحتى الضباب الدقيق من جهاز الترطيب يمكن أن تنتج جميعها قوس قزح مرئياً إذا كان حجم القطرات مناسباً ووضع الشمس صحيحاً بالنسبة للمراقب. والقطرات الدقيقة جداً، الأصغر من نحو 0.1 مليمتر، تميل إلى إنتاج قوس قزح باهت يكاد يكون أبيض يسمى قوس الضباب، لأن فصل الألوان يصبح دقيقاً جداً بحيث يصعب تمييزه، بينما تنتج قطرات المطر الأكبر، التي يبلغ قطرها مليمتراً أو أكثر، الألوان الأكثر حيوية وتشبعاً.
أقواس قزح مزدوجة وثلاثية وحتى رباعية
بالإضافة إلى القوسين الأساسي والثانوي المألوفين، وثّق الفيزيائيون أقواساً ثلاثية بل ورباعية، تتشكل من انعكاس الضوء ثلاث أو أربع مرات داخل قطرة المطر قبل خروجه، رغم أنها باهتة للغاية وتظهر في نفس جانب السماء الذي توجد فيه الشمس بدلاً من الجانب المقابل، مما يجعل رؤيتها بالعين المجردة أمراً شبه مستحيل بسبب وهج الشمس. ولم تُلتقط أول صورة فوتوغرافية مؤكدة لقوس قزح ثلاثي طبيعي إلا في عام 2011، رغم قرون من مراقبة قوس قزح، وذلك تحديداً لأن على المراقبين النظر في الاتجاه الخاطئ تماماً، نحو الشمس، في ظل ظروف صحيحة تماماً من المطر والسماء الصافية في آن واحد.
أما أقواس قزح الإضافية فهي سمة إضافية أكثر شيوعاً في الرؤية: نطاقات إضافية باهتة من الوردي والأخضر والبنفسجي الباستيل تظهر أحياناً مباشرة داخل حافة اللون البنفسجي للقوس الأساسي. وتحدث هذه بسبب تداخل الموجات بين أشعة الضوء التي تسلك مسارات مختلفة قليلاً جداً عبر قطرات مطر ذات مدى حجمي ضيق ومنتظم جداً، وهو تأثير لا يمكن أن تفسره التفسيرات الفيزيائية الكلاسيكية القائمة على مسار الأشعة للقوسين الأساسي والثانوي على الإطلاق، ولم يُفهم فهماً فيزيائياً كاملاً إلا عندما تعامل العلماء مع الضوء كموجة لا كشعاع بسيط، وهو جدل شغل فيزيائيين من بينهم ديكارت ونيوتن لأجيال.
قوس القمر: قوس قزح بعد حلول الظلام
لا يقتصر ظهور قوس قزح على النهار فقط؛ فقوس القمر، ويسمى أحياناً قوس قزح القمري، يتشكل بالعملية البصرية نفسها تماماً لكن باستخدام ضوء القمر المنعكس عن الشمس بدلاً من ضوء الشمس المباشر. وتكون أقواس القمر أخفت بكثير من أقواس قزح الشمسية لأن ضوء القمر نفسه لا يمثل سوى جزء صغير جداً من سطوع ضوء الشمس المباشر، ولا تعمل خلايا الاستقبال اللونية في العين البشرية (الخلايا المخروطية) جيداً في مثل هذا الضوء الخافت، وهذا سبب ظهور أقواس القمر غالباً بلون فضي أو ملون بشكل باهت جداً للعين المجردة، رغم أن التصوير طويل التعريض يكشف أن الطيف الكامل من الألوان موجود فعلياً بشكل حقيقي.
ولأن أقواس القمر تتطلب قمراً ساطعاً شبه مكتمل منخفضاً في السماء مقابل زخة مطر، وهو توليفة محددة إلى حد ما من الظروف، فهي أندر بكثير من أقواس قزح الشمسية، ولا يمكن رؤيتها بشكل موثوق إلا في عدد محدود من المواقع حول العالم التي تجمع بين الشلالات والرذاذ والسماء الليلية الصافية، مثل شلالات فيكتوريا في زامبيا وشلالات كمبرلاند في ولاية كنتاكي الأمريكية، وكلاهما أقام جاذبية سياحية بسيطة حول ليالي مشاهدة قوس القمر المتوقعة المرتبطة بالتقويم القمري.
المعاني الثقافية عبر التاريخ
قبل زمن طويل من فهم فيزياء الانكسار، حمل قوس قزح وزناً رمزياً هائلاً عبر الثقافات حول العالم، دائماً تقريباً كجسر أو رسالة بين العالم الأرضي والعالم الإلهي. ففي رواية الطوفان التوراتية، يُوصف قوس قزح كعلامة عهد؛ وفي الأساطير الإسكندنافية، يربط جسر قوس قزح بيفروست عالم البشر بعالم الآلهة؛ وفي كثير من تقاليد السكان الأصليين الأستراليين، يُعد ثعبان قوس قزح شخصية خلق مركزية ترتبط بمصادر المياه وتشكيل المشهد الطبيعي نفسه.
ولم يقلل التفسير العلمي لألوان قوس قزح وشكله، الذي صاغه ديكارت أولاً بدقة حقيقية ثم طوّره نيوتن لاحقاً بتجاربه مع المناشير في ستينيات القرن السابع عشر، من صداه الثقافي؛ بل على العكس، أضاف اكتشاف أن الضوء الأبيض يحمل سراً طيفاً كاملاً من الألوان، لا يظهر إلا عند الانكسار الصحيح، طبقة جديدة من الدهشة إلى رمز كانت البشرية تتأمله بالفعل منذ آلاف السنين. وتواصل أعلام قوس قزح الحديثة، التي تستخدمها حركات من فخر المثليين إلى منظمات السلام، هذا التقليد الطويل في استخدام شمولية قوس قزح كامل الطيف كرمز بصري مختصر للوحدة رغم الاختلاف.
كيف صوّر العلماء قوس قزح قبل عصر التصوير
قبل اختراع التصوير الفوتوغرافي، اعتمد العلماء الراغبون في دراسة قوس قزح بدقة على الرسم اليدوي الدقيق والقياسات الزاوية باستخدام أدوات بدائية نسبياً مثل السدس والإسطرلاب، مسجلين زاوية القوس فوق الأفق في أوقات وفصول مختلفة من السنة على مدى عقود لبناء صورة إحصائية عن ثبات الزاوية عند نحو 42 درجة. وكانت هذه الملاحظات المتراكمة، رغم بدائية أدواتها مقارنة بالمعايير الحديثة، دقيقة بشكل مدهش، وشكّلت الأساس التجريبي الذي اختبر عليه ديكارت لاحقاً حساباته النظرية القائمة على قوانين الانكسار التي اكتشفها فيلليبرورد سنيليوس.
ولم يقتصر الاهتمام العلمي المبكر بقوس قزح على أوروبا فقط؛ فقد قدّم العالم الفارسي كمال الدين الفارسي في أوائل القرن الرابع عشر تفسيراً تجريبياً ونظرياً دقيقاً بشكل ملحوظ لتكوّن قوس قزح باستخدام كرات زجاجية مملوءة بالماء كنموذج مصغر لقطرة المطر، سابقاً بذلك أعمال ديكارت الأوروبية بما يقرب من ثلاثة قرون، وهو إنجاز أُهمل لفترة طويلة في السرديات العلمية الغربية التقليدية قبل أن يعيد المؤرخون تقديره في العقود الأخيرة كواحد من أوائل التفسيرات الفيزيائية التجريبية الصحيحة لهذه الظاهرة الطبيعية المألوفة.
المصادر
- المكتب الجوي البريطاني — يشرح تشكل قوس قزح وزاوية الـ42 درجة والأقواس الثانوية
- البصريات الجوية — فيزياء تتبع الأشعة التفصيلية للأقواس الأساسية والثانوية
- ناسا — معلومات أساسية عن أقواس القمر وإدراك اللون في الإضاءة المنخفضة
الأسئلة الشائعة
لماذا لا يمكنني الوصول إلى قوس قزح أبداً؟
قوس قزح ليس جسماً مادياً موجوداً في موقع ثابت؛ إنه نمط بصري ينشأ من وصول الضوء إلى عينك بزوايا محددة من ملايين قطرات المطر المنفردة. وبينما تسير نحو المكان الذي يبدو أن قوس قزح موجود فيه، تتغير القطرات المسؤولة عن ذلك النمط اللوني باستمرار، وقوس قزح، كونه دالة بحتة لزاوية رؤيتك بالنسبة للشمس، يتراجع عملياً معك بنفس السرعة التي تقترب بها منه، فيظل بعيد المنال إلى الأبد.
هل يمكن لشخصين أن يريا نفس قوس قزح بالضبط؟
لا. ولأن نقطة مركز قوس قزح تُحدَّد بالنسبة لموقع عين كل مراقب على حدة، فإن شخصين واقفين حتى على بعد أقدام قليلة ينظران تقنياً إلى دائرتين متداخلتين لكن متمايزتين من قطرات المطر. تبدو الأقواس متطابقة تقريباً لأن الهندسة الزاوية تتغير بالكاد عبر بضعة أقدام من الفصل، لكن بدقة يرى كل مراقب قوس قزح خاصاً به.
لماذا تكون السماء داخل قوس قزح أكثر سطوعاً بشكل ملحوظ من خارجه؟
ترسل قطرات المطر ضوءاً مركزاً نحو المراقب عند جميع الزوايا الأصغر من زاوية القوس الأساسي البالغة 42 درجة، وليس فقط عند 42 درجة بالضبط، مما يزيد سطوع السماء بأكملها داخل القوس. وفوق زاوية 42 درجة، يصل ضوء قليل نسبياً إلى عين المراقب، وهذا سبب ظهور السماء خارج قوس قزح، وخاصة الشريط الداكن بين القوسين الأساسي والثانوي، أكثر خفوتاً بالمقارنة.
هل تظهر أقواس قزح ليلاً دون ضوء القمر؟
وُثّقت أقواس قزح باهتة للغاية أحياناً باستخدام مصادر ضوء اصطناعي قوية مثل أضواء الملاعب الكاشفة أو أضواء بحث الطائرات المتسربة عبر المطر أو الرذاذ، متبعة نفس المبادئ البصرية، لكنها ظواهر نادرة ومحلية أكثر من كونها ظاهرة طبيعية معترف بها كقوس قزح الشمسي أو قوس القمر.
لماذا تبدو بعض أقواس قزح شبه بيضاء؟
تُظهر أقواس الضباب، الناتجة عن قطرات دقيقة جداً أصغر من نحو 0.1 مليمتر (كما في الضباب أو الرذاذ بدلاً من المطر)، فصلاً لونياً ضئيلاً جداً لأن هذه القطرات الصغيرة تحيد الضوء أكثر مما تنكسره وتفرقه، مما يمزج نطاقات الألوان معاً في ما يظهر كقوس واسع باهت شبه عديم اللون.
هل صحيح أنه لم يحدث قط أن كان قوسا قزح متطابقين تماماً عبر التاريخ؟
بمعنى فيزيائي دقيق، نعم؛ فالتوليفة الدقيقة من زاوية الشمس وتوزيع حجم القطرات والرطوبة وموقع المراقب تختلف في كل مرة، مما يجعل كل حدث قوس قزح فريداً تقنياً، رغم أن النمط العام للألوان والهندسة عند 42 درجة تظل ثابتة عبرها جميعاً.
لماذا تظهر أقواس قزح أكثر بعد عواصف الصيف؟
يتطلب قوس قزح وجود أشعة شمس ومطر في آن واحد من وجهة نظر المراقب، وهو توليفة أكثر شيوعاً عند الحافة الخلفية لزخة مطر أو عاصفة رعدية عابرة، حين تكون سحابة المطر قد تحركت بعيداً بينما تعود الشمس للظهور من خلفها، وهو نمط يحدث بكثرة مع العواصف الحملية القصيرة والمحلية النموذجية لطقس الصيف.
هل يمكن أن يظهر قوس قزح في سماء صافية دون مطر مرئي قريب؟
نعم، إذا كان المطر يتساقط من سحابة خارج خط نظر المراقب المباشر أو بعيدة جداً بحيث لا تكون واضحة بصرياً، بينما يصل ضوء الشمس إلى القطرات من خلف المراقب، وهو سيناريو شائع نسبياً بالقرب من الحواف الخلفية لأعمدة مطر بعيدة تظهر فقط كظل.
هل يمكن لأشعة الليزر أن تنتج تأثيراً شبيهاً بقوس قزح عبر قطرات الماء؟
من الناحية النظرية نعم، لأن الليزر مصدر ضوء أحادي اللون بطول موجي واحد فقط، مما يعني أن أي 'قوس' ناتج عنه سيظهر كخط رفيع من لون واحد بزاوية محددة بدقة بدلاً من طيف ألوان كامل، وهو ما يفتقر إلى التنوع اللوني الذي يميز قوس قزح الطبيعي الناتج عن ضوء الشمس الأبيض متعدد الأطوال الموجية.
هل حجم قطرة المطر نفسها يؤثر على زاوية قوس قزح البالغة 42 درجة؟
لا يغيّر حجم القطرة الزاوية الأساسية البالغة نحو 42 درجة بشكل ملحوظ، لأن هذه الزاوية تحددها بشكل أساسي معامل انكسار الماء وليس حجم القطرة نفسه؛ لكن حجم القطرة يؤثر بشدة على وضوح الألوان وتشبعها، حيث تنتج القطرات الأكبر ألواناً أكثر حدة وتشبعاً بينما تنتج القطرات الأصغر جداً توهجاً باهتاً شبه أبيض.
عن الكاتب
نستعين بويكيبيديا ومصادر موثوقة أخرى لشرح خلفية هذا الموضوع وفهمه الحالي.
أعجبك المقال؟
شارك عبر واتساب ← شارك عبر واتساب
احصل على المزيد في بريدك — اشترك في نشرتنا لقصص أسبوعية مفاجئة من مصر والسعودية ودبي وأكثر.