Радуга как оптическое явление¶

Радуга — атмосферное оптическое явление, возникающее при преломлении, отражении и дисперсии света в каплях воды, взвешенных в воздухе. Наблюдается обычно после дождя или во время него, когда солнечные лучи падают на завесу осадков под определённым углом. Представляет собой дугу из спектральных полос, видимую со стороны, противоположной Солнцу.

¶Физическая природа явления

Радуга образуется в результате трёх последовательных процессов в каждой капле:

Преломление — световой луч входит в каплю и меняет направление, при этом разные длины волн отклоняются на разные углы (дисперсия).
Внутреннее отражение — луч отражается от внутренней поверхности капли.
Повторное преломление — луч выходит наружу, окончательно разделяясь на цветовые составляющие.

Солнечный свет, проходя через каплю, разлагается в спектр: красный цвет отклоняется слабее, фиолетовый — сильнее. Поэтому внешний край основной дуги всегда красный, внутренний — фиолетовый. Угловой радиус первичной радуги составляет около 42°, вторичной — около 51°.

¶Условия наблюдения

Для появления радуги необходимы три условия:

Наличие капель воды в атмосфере (дождь, морось, туман, водяная пыль у водопадов и фонтанов).
Солнце или другой источник света за спиной наблюдателя.
Высота светила над горизонтом не более 42° — иначе дуга уходит ниже линии горизонта.

Радуга видна тем лучше, чем крупнее капли: мелкая морось даёт размытую, бледную дугу, крупные капли — яркую и чёткую. Наиболее отчётливые радуги наблюдаются на границе грозового фронта, когда дождевая завеса освещена низким солнцем.

¶Виды радуг

¶Первичная и вторичная

Первичная (главная) радуга возникает после одного внутреннего отражения. Вторичная образуется после двух отражений, расположена выше первой, имеет обратный порядок цветов (снаружи фиолетовый, внутри красный) и меньшую яркость. Пространство между дугами носит название полосы Александра — оно заметно темнее окружающего неба.

¶Неполные и особые формы

Красная радуга — наблюдается при закатном свете, когда из спектра остаётся преимущественно длинноволновая часть.
Лунная радуга — редкое явление, возникающее при свете полной Луны; воспринимается обычно как белая из-за слабости освещения.
Огненная радуга — не радуга в строгом смысле, а гало, образующееся на ледяных кристаллах перистых облаков.
Радуга на росе — появляется, когда наблюдатель стоит спиной к Солнцу на покрытой росой траве.

¶Побочные дуги

Дополнительные, более слабые дуги внутри основной возникают в результате интерференции световых волн. Они всегда окрашены в пастельные тона и располагаются ближе к фиолетовому краю.

¶Радуга в культуре и науке

Явление упоминается в мифологиях многих народов: в славянской традиции радуга связывалась с небесным мостом, в скандинавской — с Биврёстом, мостом между мирами. В Библии радуга выступает знаком завета после потопа.

Первое научное объяснение предложил в 1611 году архиепископ Марк Антоний де Доминис, описавший роль преломления и отражения. В 1637 году Рене Декарт построил геометрическую теорию, а Исаак Ньютон в 1666 году объяснил цветность через дисперсию света в призме. Полная волновая теория, включающая интерференционные эффекты, была разработана в XIX веке Джорджем Бидделлом Эйри.

¶Восприятие и фотография

Радуга не имеет фиксированного положения в пространстве: она существует лишь как оптический образ, зависящий от точки наблюдения. Два человека, стоящие рядом, видят разные радуги. При перемещении наблюдателя дуга смещается вместе с ним, поэтому её невозможно «догнать».

При съёмке радуги применяют поляризационные фильтры: свет радуги частично поляризован, и поворот фильтра позволяет усилить или ослабить её яркость. Наиболее выразительные кадры получаются при контрастном тёмном фоне — грозовой туче, горном склоне, лесном массиве.

¶Интересные факты

Радуга всегда расположена в стороне, противоположной Солнцу, и центр её дуги лежит на линии, соединяющей светило и глаз наблюдателя.
С земли радуга чаще всего выглядит как полукруг, но с самолёта или высокой горы можно увидеть полное кольцо.
Порядок цветов в радуге не совпадает с порядком в спектре, полученном на призме: в радуге он определяется геометрией капли.
Угол, под которым видна радуга, одинаков для всех наблюдателей, но её видимое положение индивидуально.

Источники: Ньютон И. «Оптика»; Декарт Р. «Диоптрика»; Борн М., Вольф Э. «Основы оптики»; Тарасов Л. В. «Физика в природе»; материалы Американского оптического общества.