Hoe ontstaat een regenboog?

Iedereen heeft het waarschijnlijk al wel eens meegemaakt. Een “wow” moment bij het aanschouwen van een prachtige, misschien wel dubbele, regenboog aan de hemel. Het blijft iedere keer opnieuw dan ook een magisch schouwspel van Moeder Natuur dat steeds blijft bekoren. Maar hoe ontstaat zo’n regenboog nu eigenlijk? Wat zijn de voorwaarden en wanneer kunnen we het verschijnsel juist zien? En wat bepaalt de intensiteit van de kleuren en hoogte van de regenboog?

• Volg de weerupdates op de voet via Facebook en Twitter
• Bekijk ook onze klimaatpagina voor interessante weetjes en grafieken!

Deelnemen aan discussie? Ben je geïnteresseerd om deel te nemen als weeramateur of liefhebber van het weer aan het weerforum? Onderaan dit artikel krijg je bliksemsnel & gratis toegang tot alle reacties. Je kan ook je eigen weerfoto’s opladen.

Wit licht afkomstig van de zon

Elektromagnetische straling

Hoe ontstaat nu een regenboog? Zoals gekend zendt de zon verschillende soorten straling en energie naar onze aarde. Een deel daarvan kunnen wij waarnemen als licht, met daarbij horend verschillende kleuren. Andere soorten straling zijn voor het menselijk oog dan weer onzichtbaar. Zo is er bijvoorbeeld infrarood of UV straling. Dit soort straling kunnen we niet rechtstreeks zien, maar is er wel.

Zichtbaar licht als golven

Het licht dat wij kunnen waarnemen noemt men “wit licht”. Licht gedraagt zich daarbij eigenlijk als een golf, vergelijkbaar met de golven op het water. Maar net zoals op zee is niet elke golf gelijk. Elk van de golven heeft namelijk een bepaalde lengte, en die bepaalt diens kleur. Rood licht heeft bijvoorbeeld een langere golflengte dan blauw licht.

Het “witte licht” van de zon dat wij kunnen zien is in feite een mix van licht van alle verschillende golflengten van het zichtbare spectrum, waaronder de primaire kleuren rood, groen en blauw. Deze vorm van licht wordt dus vanaf de zon richting de aarde gestraald in de vorm van golfjes.

Licht van de zon is dus, zoals algemeen wel bekend, een van de noodzakelijke voorwaarden voor het vormen van een regenboog.

Fysische processen in een regendruppel

Refractie, dispersie en reflectie

Wanneer licht door een andere stof passeert, bijvoorbeeld via de lucht in de atmosfeer naar een regendruppel, vinden er een aantal fysische processen plaats (refractie, dispersie en reflectie). Zonder al te veel in detail te treden, zorgt dit ervoor dat het witte licht van richting wordt veranderd (refractie of breking) en opgesplitst wordt in al diens componenten (dispersie). Hierdoor worden de kleuren dus van elkaar gescheiden.

Scheiding van golflengten via regendruppels

Doordat licht namelijk bestaat uit een mix van verschillende kleuren en golflengten, zal elke vorm zich ook anders gaan gedragen. De stralen die een hogere golflengte hebben (zoals rood) worden daarbij bijvoorbeeld minder van richting veranderd dan deze met een lagere golflengte (zoals blauw). Uiteindelijk komt het licht dus opgesplitst in diens verschillende vormen, elk onder een andere hoek tussen 40 en 42 graden tegenover de originele invallende zonnelichtstralen, weer uit de regendruppel in de tegenovergestelde richting dan hoe het er binnenkwam (zie foto hieronder).

Waterdruppels zijn dus, zoals algemeen wel bekend, een tweede noodzakelijke voorwaarde voor het vormen van een regenboog. Omdat het licht in de tegenovergestelde richting uittreedt dan hoe het er oorspronkelijk was ingetreden, betekent dat dan ook dat we een regenboog enkel kunnen zien als de zon achter ons aan het schijnen is!

Een boog of halfcirkel als resultaat

Hoe ontstaat nu de regenboog? We weten dus dat licht gescheiden in allerlei kleuren uit de regendruppel komt, met een hoek tussen 42 (rood) en 40 (blauwpaars) graden. Deze lichtstralen vallen in op onze ogen. De enige manier waarop deze hoek behouden wordt in de richting van onze ogen, is wanneer het een boog vormt.

We zien dus enkel het gedeelte van het licht dat onder die specifieke hoek invalt op onze ogen. Dit resulteert dan in een boogvorm.

Een regenboog is dus gekromd omdat alle regendruppels de juiste hoek moeten hebben tussen de waarnemer, de regendruppel en de zon. Doordat het licht onder een hoek van 40-42 graden uit de waterdruppel komt, zie je dus altijd een regenboog als je 40-42 graden onder het zonlicht staat. Indien de grond er niet was, zou je in principe een regenboog via een volledige cirkel kunnen zien.

Waarom zien we rood bovenaan?

Een aandachtige lezer heeft misschien al opgemerkt dat de rode kleur steeds bovenaan de regenboog te vinden is en de blauwpaarse kleur onderaan. En dat terwijl deze kleuren via de regendruppel respectievelijk net als onderste en bovenste kleur uitstralen (vergelijk de 2 bovenstaande figuren). Als rood licht net als onderste kleur de regendruppel uitstraalt, waarom zien we deze kleur dan bovenaan de regenboog?

Dit heeft te maken met de hoek waarmee de gefilterde lichtgolven opnieuw uit de druppel treden. Zoals eerder gezegd is dat ongeveer 42 graden voor rood, en ongeveer 40 graden voor blauwpaars.

Dit betekent dat de bovenste druppels steeds voor een rode kleur zorgen in de regenboog, en de onderste druppels voor blauwpaars. Het blauwpaarse en groene licht van de bovenste druppels passeert zo boven de ogen van de waarnemer, omdat niet voldaan wordt aan de juiste hoek.

Dit is hetzelfde bij de onderste druppels: daar is de hoek van het groene en rode licht niet ideaal om een waarnemer zijn oog te bereiken. Daarom ziet ons oog steeds het rood bovenaan en het blauwpaars onderaan.

Kenmerken en bijzonderheden

Hoogte boven de horizon

Indien de hoogte van de zon aan de hemel hoger is dan 42 graden, zal de top van de regenboog onder de horizon zitten en dus uit het zicht. Daarom zien we de hoogste regenbogen bij zonsopkomst en -ondergang en kunnen we deze bijvoorbeeld op een middag in de zomer niet zien. Hoe meer op de middag en hoe meer richting het zomerseizoen, hoe lager de regenboog te zien zal zijn, of helemaal niet.

Felheid, intensiteit en breedte

De felheid (intensiteit) en breedte van de regenboog hangt vooral af van de druppelgrootte van de regendruppels. Grote druppels (groter dan ongeveer 0,5 mm) geven vaak een smalle regenboog, maar intense kleuren. Hoe kleiner de druppels (beneden 0,5 mm), hoe meer fletser de kleuren en hoe smaller de banden. 

Dubbele regenboog

Soms gebeurt het dat er nog een dubbele regenboog zichtbaar is. Deze ziet er vaak minder intens uit en de kleurenvolgorde is omgekeerd. Dit gebeurt wanneer het licht binnen de regendruppel niet één, maar twee keer wordt gereflecteerd. In dat geval ligt de ideale hoek rond 50 graden, waardoor we de dubbele regenboog altijd boven de primaire regenboog kunnen waarnemen.

Bij dit soort fenomenen is soms ook de donkere band van Alexander te zien.

Conclusie

Hoe ontstaat een regenboog nu? In feite gedraagt wit licht van de zon zich als een golf. Lichtgolven zijn er in verschillende groottes die “golflengten” worden genoemd. Elke kleur heeft een andere golflengte. Wanneer licht onder een hoek een waterdruppel binnenkomt, verandert het van richting (“refractie”). De mate waarin het licht afbuigt hangt af van de kleur, waardoor het witte licht uiteenvalt in verschillende kleuren met verschillende golflengten.

Binnen de regendruppel wordt een deel van dat licht terugkaatst (“reflectie”) onder een hoek van 40 tot 42 graden. Als we zonnestralen zouden beschouwen die met deze hoek in onze ogen reflecteren, is de enige mogelijkheid de vorming van een cirkelvormige boog in de lucht. De reflectie geeft dus de vorm van de regenboog, terwijl de refractie de kleuren van de regenboog bepaalt. De hoogte, intensiteit en felheid hangt daarbij af van de hoogte van de zon en de grootte van de regendruppels.