Fisica

Questa domanda mescola due fenomeni fisici distinti ma correlati: l'emissione della luce solare e la formazione dell'arcobaleno.

Il Sole come corpo nero e lo spettro della luce solare
Il Sole è approssimabile a un corpo nero con una temperatura superficiale di circa 5778 K.
Un corpo nero emette luce in uno spettro continuo che copre tutti i colori (tutte le lunghezze d’onda nel visibile e oltre), con una distribuzione di intensità che dipende dalla temperatura (legge di Planck).
Quindi è corretto dire che il Sole emette “tutti i colori” — questo spiega la luce bianca del Sole, risultante dalla sovrapposizione delle varie lunghezze d’onda.

Cosa succede nella fotosfera?
La fotosfera non è isoterma (la temperatura diminuisce andando verso l’esterno), e i fotoni prodotti nelle zone più interne vengono assorbiti e riemessi molte volte prima di uscire.
Tuttavia, questi processi di assorbimento e riemissione coinvolgono principalmente gli atomi (specialmente idrogeno, elio, metalli) che assorbono a certe lunghezze d’onda specifiche, creando le righe di assorbimento (spettro di Fraunhofer).
Nonostante ciò, il Sole mantiene uno spettro quasi continuo nel visibile, perché l’assorbimento non cancella interi intervalli di colore, ma solo sottili righe scure.
La fotosfera quindi emette comunque fotoni di tutte le lunghezze d’onda visibili (anche se con qualche “buco” spettrale), motivo per cui la luce solare diretta appare bianca.

Perché l’arcobaleno quando piove?
L’arcobaleno non è creato dal Sole direttamente, ma dalla dispersione cromatica della luce solare nelle gocce di pioggia.
La luce solare (bianca, cioè contenente tutti i colori) entra in una goccia d’acqua, viene rifratta (devia) alla superficie di entrata, riflessa sulla parete interna posteriore della goccia, e poi rifratta di nuovo in uscita.
La rifrazione dipende dalla lunghezza d’onda: la luce blu viene deviata più della luce rossa.
Questo fa sì che i vari colori si separino (dispersione), e un osservatore a terra veda un arco colorato con il rosso all’esterno e il violetto all’interno.

L’assorbimento/riemissione nella fotosfera non distrugge la dipendenza della rifrazione dall’indice di rifrazione per ciascuna lunghezza d’onda — una proprietà fondamentale della luce che non dipende dalla storia del fotone, ma solo dalla sua frequenza.
Quindi, anche se i fotoni che escono dal Sole hanno subito molti processi, arrivano sulla Terra come luce composta da varie lunghezze d’onda.

Quando questa luce entra in una goccia, la fisica della dispersione agisce indipendentemente dal fatto che i fotoni siano stati riemessi milioni di anni fa nel nucleo del Sole o più recentemente nella fotosfera: l’effetto della dispersione dipende solo dalla lunghezza d’onda.

In sintesi: Il Sole fornisce la luce bianca (tutti i colori), le gocce di pioggia fanno da prismi che separano i colori. I processi nella fotosfera non eliminano la varietà di lunghezze d’onda necessaria per formare l’arcobaleno.

Esempio analogo: Una lampadina a incandescenza (corpo nero approssimato) emette luce bianca; se fai passare la sua luce attraverso un prisma di vetro, vedi i colori separati. Il vetro della lampadina o il filamento non devono essere isotermi: la separazione dei colori avviene nel prisma (o nella goccia) grazie alla dispersione, indipendentemente dalla storia termica della sorgente.