Как получается радуга¶
Радуга — оптическое и метеорологическое явление, представляющее собой светящуюся дугу разноцветных полос на небе, возникающее в результате преломления, внутреннего отражения и дисперсии солнечного света в каплях воды, содержащихся в атмосфере. Явление наблюдается при определённом взаимном расположении источника света, водяных капель и наблюдателя и является одним из наиболее изученных атмосферных оптических явлений.
¶Физические основы
Образование радуги основано на трёх последовательных процессах, происходящих с солнечным лучом при его взаимодействии с каплей воды:
- Преломление — при входе в каплю солнечный свет меняет направление, так как скорость света в воде меньше, чем в воздухе.
- Внутреннее отражение — луч, достигнув задней поверхности капли, отражается от неё внутри капли.
- Дисперсия — разложение белого света на составляющие спектральные цвета, поскольку показатель преломления воды зависит от длины волны: для фиолетового света он выше, чем для красного.
Солнечный свет, попадая в каплю, преломляется на передней поверхности, отражается от задней внутренней поверхности и снова преломляется при выходе из капли. В результате наблюдатель видит от каждой капли свет преимущественно одного цвета, причём угол выхода луча зависит от длины волны. Для красного света этот угол составляет около 42°, для фиолетового — около 40°. Капли, расположенные на конусе с соответствующим углом относительно линии «Солнце — глаз наблюдателя», формируют дугу одного цвета, а совокупность капель создаёт полосу каждого из видимых цветов.
¶Цвета и порядок полос
Классический ряд цветов первичной радуги, от внешней дуги к внутренней, включает семь цветов: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый. Такое разделение восходит к работам Исаака Ньютона, который в 1666 году экспериментально показал разложение белого света призмой. В действительности спектр радуги непрерывен, а деление его на семь цветов является условным: границы между цветами проводятся по-разному в зависимости от принятой системы.
¶Виды радуг
¶Первичная и вторичная радуги
Наиболее распространённой является первичная радуга, формируемая одним внутренним отражением луча внутри капли. Она ярче и имеет порядок цветов «красный снаружи — фиолетовый внутри».
Вторичная радуга возникает при двух внутренних отражениях света в капле. Она расположена вне первичной дуги, имеет меньшую яркость и обратный порядок цветов: фиолетовый снаружи, красный внутри. Угол выхода луча для вторичной радуги составляет около 51°. Между первичной и вторичной радугой часто наблюдается тёмная полоса, известная как дуга Александра (названа в честь Александра Афродизийского, описавшего это явление около 200 года н. э.).
¶Дополнительные явления
При определённых условиях могут наблюдаться:
- Третичная и четвёртая радуги — формируются при трёх и четырёх внутренних отражениях соответственно; они очень слабы и редко регистрируются визуально.
- Двойные радуги — одновременное наблюдение первичной и вторичной дуг.
- Радужные пятна — кратковременные радужные окаймления вокруг теней, отбрасываемых объектами на облака или туман, расположенные ниже наблюдателя.
- Лунная радуга — явление, возникающее при освещении капель лунным светом; из-за малой интенсивности лунного света она обычно воспринимается как бесцветная белая дуга, однако фотографии с длительной выдержкой показывают её цветное строение.
- Сверхнормальная радуга — редкое явление, при котором полосы расположены вне первичной дуги и образуются при нестандартных путях света в капле.
¶Условия наблюдения
Для появления радуги необходимо одновременное выполнение нескольких условий:
- источник света (Солнце или Луна) должен находиться за спиной наблюдателя;
- в поле зрения должны присутствовать капли воды — дождь, брызги, водопад, садовый полив;
- высота источника света над горизонтом не должна превышать 42°, иначе дуга оказывается ниже горизонта и не видна.
Чем ниже Солнце над горизонтом, тем выше поднимается дуга и тем она шире. При полуденном солнце радуга может быть видна только в виде фрагмента низко над горизонтом, а при закатном солнце — поднимается высоко и может охватывать значительную часть неба.
¶История изучения
Древние цивилизации связывали радугу с мифологическими и религиозными символами. В древнегреческой мифологии Ирис была посланницей богов и олицетворением радуги. Аристотель в трактате «О радуге» (IV век до н. э.) предложил первое естественное объяснение явления, связав его с отражением света от облаков.
Средневековый учёный Роберт Гроссетест, а позднее французский философ и математик Теодорик Фрейбергский (начало XIV века) экспериментально исследовали образование радуги в каплях. Исаак Ньютон в «Оптике» (1704) показал спектральное разложение белого света и объяснил цветовое строение радуги. Французский математик Рене Декарт в «Метеорах» (1637) математически описал траектории лучей в капле и объяснил форму дуги.
¶Радуга в культуре
Радуга широко представлена в искусстве, фольклоре и символике. В библейской традиции она является знаком завета Бога с Ноем после потопа (Бытие 9:13). В современной культуре радуга используется как символ разнообразия и миролюбия. В ряде государств радуговые полосы присутствуют на государственных символах: флаге Боливии, флаге Никарагуа, гербе Португалии. В честь явления названо множество объектов: астероид 147693 Пиксель, кратер Радуга на Титане, созвездие и другие астрономические объекты.
¶Примечания
Изучением атмосферных оптических явлений занимается раздел метеорологии — атмосферная оптика. Современные исследования включают компьютерное моделирование распространения света в полиадисперсных облачках, изучение поляризационных свойств радуги и регистрацию редких форм явления с помощью цифровых камер.
Источники:
- Ньютон И. «Оптика» (1704)
- Декарт Р. «Метеоры» (1637)
- Аристотель. «О радуге» (IV в. до н. э.)
- Миннарт М. «Ясное небо» (1953)
- Левин Б. М. «Физика атмосферных явлений»
- Гроссетест Р. Трактаты о свете