رنگین کمان همانطور که از اسمش پیداست، یک قوسِ رنگین است که وقتی نور خورشید به قطرات آب در آسمان برخورد می‌کند، ظاهر می‌شود. رنگین کمانها چگونه تشکیل می‌شوند و چرا منحنی هستند؟
یک رنگین کمان فقط تحت شرایط زیر تشکیل می‌شود:
۱. خورشید باید بالای افق باشد و نباید توسط ابرها، کوه‌ها و دیگر موانع گرفته شود.
۲. زاویه خورشید در آسمان باید زیر ۴۲ درجه باشد تا رنگین کمان بتواند از منظر دید شما تشکیل شود.
۳. آسمان مخالف جهت خورشید - از زاویه شما - باید پر از قطرات آب باشد.
رنگین کمانها همیشه در خلاف جهت خورشید ظاهر می‌شوند، پس اگر شما پشت‌تان را به خورشید کنید رنگین کمان در جلوی شما ظاهر خواهد شد.
رنگین کمانها چگونه تشکیل می‌شوند؟
رنگین کمان یک پدیده بصری است که شامل سه فرایند است: شکست، پراکندگی و انکسار
شکست: قطرات آب می‌توانند مانند آیینه عمل کنند. وقتی اشعه خورشید به یکی از این قطرات برخورد می‌کند، بیشتر آن، از دیوارۀ قطره آب بازتاب پیدا می‌کند. هنگام بارش باران، آسمان مملو از قطرات آب است به طوری که همه آنها با هم مانند یک پرده بازتابنده‌ای که از میلیون‌ها آیینه کوچک تشکیل شده است نور خورشید را به سمت شما منعکس می‌کنند.
پراکندگی: نور خورشید سفید است، پس اگر قطرات آب، نور خورشید را منعکس می‌کنند پس رنگین کمان چگونه رنگ‌هایش را پیدا می‌کند؟ اینجاست که دومین فرایند وارد بازی می‌شود: پراکندگی نور. نور خالص خورشید شاید برای ما سفید دیده شود اما نور شامل همه رنگ‌های دیده‌شدنی است. به محض اینکه اشعه خورشید وارد یک قطره آب می‌شود، به اجزای خود تقسیم می‌شود این اتفاق هم در زمان ورود نور به آب و هم در زمان خروج از آب اتفاق می‌افتد.
انکسار: همانطور که اشعه خورشید به قطره آب وارد می‌گردد و از آن خارج می‌شود، جهت نور در فرایندی به نام «انکسار» کمی تغییر می‌کند. هر رنگ در جهتی متفاوت منکسر می‌شود که در نهایت یک طیف رنگی ایجاد می‌کند. برای مثال، نور قرمز با زاویه‌ای بزرگتر از نور نارنجی، قطرۀ آب را ترک می‌کند.
رنگ‌های رنگین کمان
قطرات آب تمام رنگ‌های نور خورشید را به سمت شما منعکس می‌کند با این وجود بخاطر اینکه نور خورشید هر رنگی را در زاویه‌ای کمی متفاوت منعکس و منکسر می‌کند. تنها یک رنگ از هر قطره به چشم شما می‌رسد. به عنوان مثال، شما فقط می‌توانید نور قرمز را از قطرات بالاتر در آسمان ببینید و فقط نور نارنجی را از قطراتی که کمی پایین‌تر هستند مشاهده کنید.
اینگونه است که دو نوار بالای رنگین کمان - قرمز و نارنجی - تشکیل می‌شوند. در پایین‌تر، قطرات زاویۀ تندتری بین شما و خورشید ایجاد می‌کنند، بنابراین اجزای زرد، سبز، آبی، نیلی و بنفش نور خورشید را به سمت شما پرتاب می‌کنند و نوارهای باقیمانده رنگین کمان را ایجاد می‌کنند.
چرا رنگین کمان منحنی است؟
از نظر فنی، رنگین کمان نیمۀ بالایی یک دایرۀ رنگین است که بر نقطۀ ضدخورشیدی متمرکز است، آن نقطه - از منظر دید شما - مستقیماً در مقابل خورشید است. با این وجود نیمۀ پایینی آن، قابل مشاهده نیست زیرا قطرات آب قبل از تشکیل شدن به زمین برخورد می‌کنند. شما می‌توانید یک رنگین کمانِ گرد را ببینید اگر به نقطۀ بالایی بروید و زمینِ مقابل شما - در سمتی که رنگین کمان تشکیل می‌شود - در سطحی پایین باشد زیرا به باران اجازه می‌دهد دیرتر به زمین برسد و نور خورشید را در زاویه‌ای پایین‌تر منعکس کند. شما می‌توانید از هواپیما یک رنگین کمان گرد را مشاهده کنید.
شکل رنگین کمان حاصل از شاخص انکساری آب است. این باعث می‌شود که نور خورشید در بازه محدودی از ۰ تا ۴۲ درجه منعکس شود. بیشتر نور در محدوده زاویه‌ای از ۴۰ درجه برای بنفش و ۴۲ درجه برای قرمز به سمت شما برمی‌گردند به همین دلیل است که دایرۀ نور همیشه فاصله‌ای بین ۴۰ و ۴۲ درجه تا نقطه ضدخورشیدی فاصله دارد به این معنی که رنگین کمان همیشه ۴۰ تا ۴۲ درجه‌ای نقطه مخالف خورشید ظاهر می‌شود.
رنگین کمان‌های دوتایی (Double rainbow)
بعضی وقت‌ها شما می‌توانید دو عدد رنگین کمان را به طور همزمان ببینید. رنگین کمان دوم، کمرنگ‌تر و بالای رنگین کمان اصلی ظاهر می‌شود. این وقتی اتفاق میفتد که نور خورشید دو بار در هر قطره آب به سمت شما منعکس می‌شود. رنگین کمان دوم به روشنی و وضوح رنگین کمان اولیه نیست زیرا مقداری از نور خورشید از قطره آب عبور می‌کند در حالیکه بیشتر آن منعکس شده است. به این معنی است که زمانی که نور دو بار منعکس می‌شود، پرتو نور بیشتری منحرف می‌شود و نور کمتری برای بازتاب به شما باقی می‌ماند. انعکاس دوگانه همچنین موجب وارونگی رنگ‌های کمان ثانویه می‌شود. در کمان دوم رنگ بنفش در بالا وجود دارد در حالیکه رنگ قرمز در پایین تشکیل می‌شود. فاصله زاویه‌ای بین کمان دوم تا نقطه ضدخورشیدی ۵۰ تا ۵۳ درجه است پس دو کمان همیشه ده درجه با یکدیگر فاصله دارند.
رنگین کمان‌های دوتایی
رنگین کمان‌های دوقلو (Twinned rainbow)
بر خلاف یک رنگین کمان دوتایی که شامل دو قوس مجزا و متحدالمرکز از هم می‌شود، رنگین کمان‌های بسیار کمیاب دوقلو از دو قوس رنگین کمانی از یک پایه نشأت می‌گیرند. رنگ‌ها در کمان دوم (ثانویه) بجای اینکه معکوس شوند، مانند قوس اول دارای همان ترتیب رنگی هستند. پس یک رنگین کمان ثانویه «عادی» هم ممکن است وجود داشته باشد. رنگین کمان‌های دوقلو ممکن است شبیه به نظر برسند ولی شما نباید آنها را با نوارهای اضافی (رنگین کمان‌های اضافی) اشتباه بگیرید. این دو پدیده را می‌توان با تفاوت رنگ‌هایشان از هم تفکیک کرد: نوارهای رنگی اضافی شامل رنگ‌های کمرنگ پاستیلی (عمدتاً صورتی، بنفش و سبز) تشکیل می‌شوند در حالیکه رنگین کمان‌های دوقلو، طیف رنگی یک رنگین کمان معمولی را نشان می‌دهد. به باور دانشمندان دلیل ایجاد رنگین کمان دوقلو این است که از قطرات با اندازه‌های متفاوت تشکیل می‌شود. به دلیل مقاومت هوا، قطرات باران بر روی زمین فرو می‌افتند صاف می‌شوند و صاف شدن در قطرات بزرگ بیشتر نمایان می‌شود. وقتی دو بارش باران با اندازه‌های متفاوتی از قطرات آب ترکیب می‌شوند، هرکدام آنها کمان‌هایی کمی متفاوت درست می‌کنند به طوری که شاید ترکیب شوند و یک رنگین کمان دوقلو را تشکیل دهند. یک مطالعۀ عددی بر پایۀ ردیابی اشعه نور نشان داده است که یک رنگین کمان دوقلو در یک عکس می‌تواند از مخلوط قطرات ۰.۴ و ۰.۴۵ میلیمتر توضیح داده شود. این تفاوت کوچک در اندازه قطرات منجر به یک تفاوت کوچک در مسطح شدن شکل قطرات و تفاوت زیادی در صاف شدن بالای رنگین کمان می‌شود.
رنگین کمان‌های دوقلو
رنگین کمان‌های اضافی (Supernumerary rainbow)
در شرایط خاص، درون کمان اصلی (کمان اولیه) یا در حالت کمیاب‌تر بیرون کمان ثانویه، یک یا چند نوار باریک و کمرنگ رنگی می‌تواند هم‌مرز لبۀ رنگ بنفش دیده شود. این پیوندهای اضافی، رنگین کمان اضافی نامیده می‌شود. کمان‌های اضافی کمی از کمان اصلی جدا می‌شوند. با فاصله گرفتن آنها از کمان، پی در پی کم‌نورتر می‌شوند و به جای الگوی طیف معمول رنگین کمان، دارای رنگ‌های کمرنگ (پاستلی) که بیشتر شامل صورتی، بنفش و سبز هستند. این اثر وقتی که قطرات آب یک میلیمتر یا کمتر باشد دیده می‌شود. هرچه قطرات آب کوچکتر باشد، کمان‌های اضافی پهن‌تر می‌شود و همانطور رنگ‌ها کمتر اشباع می‌شود. بنابر اندازه کوچک قطرات، رنگین کمان‌های اضافی بیشترین شباهت را به مِه‌کمان‌ها دارند.
رنگین کمان اضافی
مِه‌کمان‌ها (Fogbow)
مه‌کمان (یا رنگین کمان سفید) یک پدیده مشابه با رنگین کمان است با این‌وجود همانطور که از اسمش پیداست، کمانها از مه بجای باران ظاهر می‌شود؛ بدلیل بسیار ریز بودن قطرات تشکیل دهنده مه -کوچکتر از ۰/۰۵ میلیمتر - مه‌کمان‌ها فقط رنگ‌های بسیار ضعیف دارند، با یک لبه قرمز بیرونی و لبه داخلی متمایل به آبی.
مِه‌کمان
رنگین کمان‌های منعکس شده (Reflecated rainbow):
وقتی که رنگین کمان بالای یک حجمی از آب ایجاد شود، دو کمان آیینه‌ای مکمل بالا و زیر افق دیده می‌شود که از مسیرهای نوری مختلف سرچشمه می‌گیرد. رنگین کمان منعکس شده ممکن است در سطح آب زیر خط افق ظاهر شود. نور خورشید اول توسط قطرات باران منحرف می‌شود و سپس قبل از آنکه به شما برسند از روی حجم آب (روی زمین) منعکس می‌شود. رنگین کمان منعکس شده اغلب، حتی در گودال‌های کوچک آب قابل مشاهده است.
رنگین کمان‌های منعکس شده
رنگین کمان‌های تک رنگ یا رنگین کمان قرمز (Monochrome rainbow/Red rainbow):
بعضی وقت‌ها بارش باران حین طلوع یا غروب خورشید رخ می‌دهد، جایی که موج‌های کوتاه‌تر مانند آبی و سبز پراکنده و از طیف نور حذف می‌شوند و نتیجه می‌تواند رنگین کمان تک‌رنگ یا قرمز دراماتیک و کمیاب باشد.
رنگین کمان تک رنگ (رنگین کمان قرمز)
تگرگ‌کمان (Sleetbow):
تگرگ‌کمان به همان دلیلی که رنگین کمان معمولی تشکیل می‌شود بوجود می‌آید؛ با این تفاوت که این‌بار نور از تگرگ بجای آب مایع رد شده است. زمانی که نور از تگرگ عبور می‌کند، نور در فرایندی نادر منکسر می‌شود.
تگرگ‌کمان
ماه‌کمان (Moonbow):
ماه‌کمان، رنگین کمانی است که از نور مهتاب بجای نور مستقیم خورشید درست می‌شود؛ به‌غیر از تفاوت در منبع نور، تشکیل شدن آن مانند رنگین کمان خورشیدی است. ماه‌کمان‌ها، به‌دلیل کمتر بودن مقدار نور منعکس شده از سطح ماه کمرنگ‌تر از رنگین کمان‌های خورشیدی هستند. چون نور ماه‌کمان معمولاً برای گیرنده‌های مخروطی چشم ما زیادی محو هستند. برای چشم انسان‌ها سخت است که رنگ‌های ماه‌کمان را تشخیص دهد. در نتیجه ماه‌کمان سفید به نظر می‌آید با این وجود رنگ‌های ماه‌کمان در عکس‌هایی با نوردهی طولانی ظاهر می‌شوند. به ماه‌کمان‌ها حداقل از زمان کتاب هواشناسی ارسطو در ۳۵۰ سال قبل از میلاد اشاره شده است.
یک ماه‌کمان تنها تحت شرایط زیر تشکیل می‌شود:
۱. زاویه ماه در آسمان باید کمتر از ۴۲ درجه باشد.
۲. فاز ماه باید کامل یا نزدیک کامل باشد.
۳. آسمان باید خیلی تاریک باشد تا ماه‌کمان دیده شود، هر نوری می‌تواند آن را بپوشاند.
۴. قطرات آب باید در خلاف جهت ماه در هوا وجود داشته باشد.
ماه‌کمان
رنگین کمان‌های فرازمینی (Extraterrestrial rainbows):
یک نظریه وجود دارد که رنگین کمانها ممکن است در تیتان -قمر زحل- وجود داشته باشد زیرا تیتان سطحی خیس و ابرهای مرطوب دارد. شعاع رنگین کمان در تیتان بجای ۴۲، ۴۹ درجه است چون مایع در آن محیط سرد بجای آب متان است. رنگین کمان‌های آن ممکن است به دلیل مه‌آلود بودن آسمان‌های تیتان کمیاب باشد، رنگین کمان‌های قرمز ممکن است رایج‌تر باشد اما برای دیدن آنها به عینک دید در شب مادون قرمز نیاز دارید!
رنگین کمان‌های شبنمی (Dewbow):
رنگین کمان شبنمی یک پدیده نوری مشابه با رنگین کمان است، جایی که شبنم‌ها بجای قطرات باران، نور خورشید را منعکس و پراکنده می‌کند. رنگین کمان شبنمی می‌تواند در مزارع پوشیده شده از شبنم دیده شود. وقتی خورشید می‌تابد، شبنم در صبح زود بعد از یک شب تمیز و صاف - زمانی که دمای سطح به زیر نقطه شبنم می‌رسد - تشکیل می‌شود. به راحتی روی سطوحی که از گرمای هدایت شده از عمق زمین جدا شده‌اند، مثل چمن، برگ و تار عنکبوت تشکیل می‌شود. کمان شبنم در مزارعی که پر از تار عنکبوت است و در پاییز واضح‌تر خواهد بود.
رنگین کمان شبنمی