A szivárvány olyan optikai jelenség, melyet az eső- vagy páracseppek okoznak, mikor a fény prizmaszerűen megtörik rajtuk, és spektrumára bomlik. Az ív külső része vörös, míg a belső ibolya. Előfordul az ún. dupla szivárvány is, amelynél egy másik, halványabb ív is látható, fordított színekkel.

Előfordul, hogy a szivárvány ív formája is megváltozik, repülőgépből nézve körnek látszódik, vagy ún. tűzszivárványt is létrehozhat, amennyiben a fény jégkristályokon törik meg, megfelelő körülmények között.

A szivárvány akkor alakul ki, ha a levegőben lévő vízcseppeket a napfény alacsony szögből éri. Akkor a leglátványosabb a jelenség, ha az égbolt felét még felhők borítják, a szemlélő pedig a napnak háttal áll. Így a kialakuló szivárvány élesen elválik a mögötte lévő sötétebb háttértől.

Gyakran látható szivárvány vízesés vagy szökőkút mellett is. A kertben is létrejöhet, mikor porlasztott vízcseppekkel öntöz valaki napos időben. Ritkán látható az ún. fehér szivárvány , amit holdfényes estéken lehet látni. Mivel az emberi szem gyengén érzékeli a színeket halvány fénynél, a szivárvány fehérnek hat. Megfelelő technikával készített fényképen azonban előtűnnek a szivárvány színei.

A szivárvány színeit a fehér fény szétszóródása okozza, amint az áthalad az esőcseppeken. A fény először az esőcsepp felületén törik meg, az esőcsepp túloldalán visszaverődik, majd kilépéskor ismét törést szenved. Ezt azt eredményezi, hogy igen változatos szögben léphet ki a fény, a legerősebb 40-42° körül távozik. A szög független a csepp méretétől, számít viszont a víz törésmutatója. A tengervíznek magasabb a törésmutatója (erősebben törik meg benne a fény) mint az esővíznek, így a tenger fölött kialakuló szivárványnak kisebb a sugara, mint a szárazföld fölöttinek. Ez a különbség szabad szemmel is látható.

A törés mértéke függ a fény hullámhosszától, ami a színekért is felelős. A kék fény (aminek kicsi a hullámhossza) nagyobb szögben törik meg, mint a vörös (ami a legnagyobb hullámhosszú látható fény), és mivel a csöpp hátuljában található a fókuszpont, ezért a vörös lesz az ív külső szélén, a kék a belsőn (lásd az ábrán). A közhiedelemmel ellentétben a fény a csöpp hátulján nem szenved el teljes visszatükröződést, a fény egy része kilép. Azonban ez a fény nem képez egy másik szivárványt a szemlélő és a Nap között, mivel az ott távozó fény közel sem olyan erős, mint a látható szivárvány, így az ott kilépő színkép inkább újra fehér fénnyé áll össze, ahelyett hogy szivárványt alkotna.

A szivárvány valójában nem az égbolt egy különleges pontján keletkezik, hanem a szemlélő és a Nap helyzetétől függ. Minden esőcsepp ugyanabba az irányba továbbítja a fényt, de csak néhányukból származó fény éri el a szemlélődőt. Ez az, ami a szivárvány képét adja annak a szemlélődőnek. A szivárvány mindig az égbolt nappal átellenes részén van, és az ív belső része kissé világosabb a külsőnél. Az ív középpontja a megfigyelő feje által vetett árnyék meghosszabbítása, pontosabban az antiszoláris pont (ami nappal a horizont alatt van). Ebből adódóan, ha a nap 42 foknál magasabban van, akkor a szivárvány a horizont alatt keletkezik, ezáltal nem látható. Kivételt képez az, ha a szivárványt egy hegy tetejéről vagy repülőgépről nézik.

Nehéz egy teljes ívet lefotózni, mivel az 84°-os látószöget igényel, ez egy 35 mm-es géppel számolva kb. 19 mm-es lencsét igényel, azonban a legtöbb fotósnak csak 28 mm-es nagylátószögű lencséje van. Repülőgépről egy teljes kör látható, közepén a repülőgép árnyékával.

Változatok

Néha egy halványabb és vastagabb másodlagos szivárvány is látható. A másodlagos szivárványokat az okozza, hogy a fény egy része a csepp elejéről is visszatükröződik, és 50-53°-ban távozik. A második tükröződés eredményeként, a másodlagos szivárvány színei fordítottak, a kék van kívül és a vörös belül. A megvilágítatlan sávot a két szivárvány között felfedezőjéről, az ókori Aphrodisias Alexanderről Alexander-féle sötét sávnak hívják.

Ennél is ritkább a háromszoros szivárvány, sőt, néhány megfigyelő jelentett négyszeres szivárványt is, melyben a legkülső ív hullámzott. Ezek a szivárványok a nap és a szemlélődő között helyezkednek el, megnehezítve az észlelésüket.

Sokszoros szivárványokat először Felix Billet (1808-1882) írt le. Laboratóriumi körülmények között jelentősen könnyebb sokszoros szivárványokat megfigyelni, összegyűjtött fénnyel, nevezetesen lézerrel. Hatodlagos szivárványt először K. Sassan figyelt meg 1979-ben HeNe (hélium-neon) lézert használva. Argon-ion lézert használva 1998-ban kétszázadlagos szivárványt is megfigyeltek. Néhanapján egy szivárványhoz kapcsolódó jelenség fordul elő, mikor az ív alatt számos halvány, elmosódott szivárvány tűnik fel, ami nagyon-nagyon ritkán a másodlagos ívnél is látható. Ezek valamicskét elkülönülnek, és a színeik sem egyeznek meg az elsődleges szivárvánnyal. Ezeket létszámon felüli szivárványnak nevezik, és létezésüket nem lehet a klasszikus geometriai optikával magyarázni.

Tudománytörténet

A perzsa asztrológus Qutb al-Din al-Shirazi (1236–1311) volt az első, aki pontos leírást kívánt adni a szivárványokról. Végül a tanítványa, Kamal al-Din al-Farisi volt, aki pontosabb matematikai leírást készített. Európában először Robert Grosseteste, majd Roger Bacon foglalkozott a problémával, utóbbi az Opus Majus c. munkájában írta le a kristályokon és vízcseppeken megtörő fény szivárványszerű színeit.