Полоса Александра: тёмная зона радуги¶

Полоса Александра — это оптическое явление, наблюдаемое в атмосфере в виде тёмной области неба между двумя дугами радуги: первичной (яркой, с угловым радиусом около 42°) и вторичной (более бледной, с угловым радиусом около 51°). Данная зона имеет заметно меньшую яркость по сравнению с окружающим фоном неба и расположена концентрично относительно точки, противоположной Солнцу (антисолярной точке).

¶Природа явления

Возникновение полосы Александра обусловлено геометрической оптикой и интерференцией света при его преломлении и отражении в сферических каплях воды. Свет, попадающий в каплю, испытывает двукратное преломление и однократное внутреннее отражение для первичной радуги, либо двукратное преломление и двукратное отражение для вторичной. Вследствие этих процессов лучи, выходящие из капли, распределяются не равномерно, а концентрируются в определённых угловых диапазонах — в областях радужных дуг. Между этими диапазонами существует угловой интервал, в котором рассеянный каплями свет практически отсутствует, что и формирует тёмную полосу.

С математической точки зрения, интенсивность рассеянного света в зависимости от угла отклонения описывается теорией Дебая и теорией рассеяния Ми. Для первичной радуги угол минимального отклонения составляет примерно 137,5° (что соответствует угловому радиусу дуги 42° от антисолярной точки), а для вторичной — около 129° (радиус 51°). В промежутке между этими значениями (от 137,5° до 129°, если отсчитывать от направления падающего луча) рассеяние минимально.

¶Характеристики

Ширина полосы Александра зависит от размера капель воды в облаке или дождевом фронте. При крупных каплях (диаметром 1–2 мм) радужные дуги уже и ярче, а тёмная полоса — относительно узкая. При мелких каплях (менее 0,5 мм) дуги расширяются, размываются, а полоса становится шире и менее контрастной. В среднем угловая ширина полосы составляет от 8° до 10°.

Явление наиболее отчётливо видно при наблюдении радуги на фоне однородной облачности или пелены дождя, когда отсутствуют дополнительные источники рассеянного света. В условиях яркого солнечного освещения и чистого неба контраст полосы снижается.

¶История изучения

Впервые явление описано древнегреческим философом Александром Афродисийским (конец II — начало III века н. э.) в его комментариях к трактату Аристотеля «Метеорологика». Именно в честь него полоса получила своё название. Александр Афродисийский отметил, что пространство между двумя радугами выглядит темнее, чем небо вокруг них, однако не смог дать физического объяснения этому факту.

Научное объяснение было предложено лишь в XIX веке после развития волновой оптики. В 1838 году английский физик Джордж Эйри разработал теорию дифракции света на каплях, которая позволила количественно описать распределение интенсивности в радуге и смежных областях. Позднее, в начале XX века, немецкий физик Густав Ми создал полную теорию рассеяния электромагнитных волн на сферических частицах, подтвердившую существование минимума интенсивности между первичной и вторичной радугами.

¶Условия наблюдения

Для наблюдения полосы Александра необходимы стандартные условия возникновения радуги: наличие дождевых капель в воздухе и Солнца за спиной наблюдателя. Оптимальное время — утро или вечер, когда солнце стоит низко над горизонтом (угол менее 42°). В этом случае дуги радуги поднимаются достаточно высоко, а тёмная зона между ними хорошо различима.

Наиболее отчётливо полоса видна при дожде с относительно однородным размером капель, например, при ливневых осадках умеренной интенсивности. При мороси или тумане радуга становится белой (туманная дуга), и полоса Александра практически исчезает.

¶Смежные явления

Полоса Александра тесно связана с другими оптическими эффектами, возникающими при рассеянии света на каплях воды. К ним относятся:

• Побочные радуги — дополнительные дуги, расположенные внутри первичной радуги, обусловленные интерференцией световых волн.
• Туманная радуга — широкая белая дуга, образующаяся на очень мелких каплях (тумане), при которой полоса Александра не выражена.
• Глория — цветные кольца вокруг тени наблюдателя на облаке, возникающие за счёт обратного рассеяния света.

¶Значение

Изучение полосы Александра имеет прикладное значение в метеорологии и атмосферной оптике. По ширине и контрасту тёмной зоны можно косвенно оценивать дисперсный состав дождевых облаков, что важно для дистанционного зондирования атмосферы. Кроме того, явление используется в образовательных целях как наглядная демонстрация волновой природы света и законов геометрической оптики.

¶Источники

• Аристотель. Метеорологика. Книга III.
• Эйри Дж. О радуге // Труды Кембриджского философского общества, 1838.
• Ми Г. К оптике мутных сред // Annalen der Physik, 1908.
• Линч Д. К., Ливингстон В. Цвет и свет в природе. — М.: Мир, 2001.
• Трифонов Е. Д. Атмосферная оптика. — СПб.: Гидрометеоиздат, 2003.