Радуга как оптическое явление¶

Радуга — атмосферное оптическое и метеорологическое явление, наблюдаемое при освещении солнечным (или иным источником света) множества водяных капель в воздухе. Представляет собой дугу из спектральных полос, возникающую в результате преломления, отражения и дисперсии света в каплях воды. Радуга наблюдается обычно после дождя или во время него, когда одновременно присутствуют яркое Солнце и дождевая завеса, расположенная напротив светила.

¶Физическая природа явления

Радуга возникает благодаря трём последовательным процессам, происходящим при попадании светового луча в сферическую каплю воды:

1. Преломление на границе «воздух — вода»: луч входит в каплю и меняет направление.
2. Дисперсия: белый свет разлагается на составляющие, поскольку коэффициент преломления воды различается для разных длин волн. Красный свет преломляется слабее, фиолетовый — сильнее.
3. Внутреннее отражение от задней стенки капли и повторное преломление при выходе наружу.

Максимум интенсивности выходящего света формируется под углом около 42° к направлению, противоположному Солнцу. Именно поэтому радуга всегда видна в стороне, противоположной светилу, а её центр — точка, противоположная Солнцу (антисолярная точка) — лежит на линии, проходящей через глаз наблюдателя и Солнце. Угловой радиус основной дуги составляет примерно 42°, поэтому с земли радуга выглядит как часть окружности, нижняя часть которой скрыта горизонтом. С большой высоты, например с самолёта, радуга может наблюдаться как полное кольцо.

¶Виды радуг

Различают несколько типов явления:

• Первичная радуга — наиболее яркая дуга с красным цветом по внешнему краю и фиолетовым по внутреннему.
• Вторичная радуга — возникает при двух внутренних отражениях в капле, располагается выше первичной, имеет обратный порядок цветов и меньшую яркость. Угловой радиус — около 51°.
• Побочные дуги — дополнительные слабые полосы, обусловленные интерференцией света.
• Лунная радуга — редкое явление, наблюдаемое ночью при свете полной Луны; обычно выглядит бесцветной из-за низкой освещённости.
• Туманная радуга — возникает на мельчайших каплях тумана, имеет вид широкой белой дуги без выраженных цветов.

¶Цвета и порядок

Спектр радуги принято описывать мнемонической фразой, где каждое слово начинается с буквы, соответствующей цвету: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый. В действительности спектр непрерывен, и границы между полосами условны. Наблюдаемый набор и насыщенность цветов зависят от размера капель: крупные капли дают яркую радугу с чистыми цветами, мелкие — бледную и размытую.

¶История изучения

Явление привлекало внимание с древности. Аристотель в трактате «Метеорологика» рассматривал радугу как отражение света от облаков. Первое научное объяснение дал в 1304 году немецкий учёный Теодорих из Фрайберга, показавший, что свет преломляется и отражается внутри капель. Рене Декарт в 1637 году рассчитал геометрию хода лучей и объяснил угловой размер дуги. Исаак Ньютон в 1666 году, разложив белый свет призмой, установил, что радуга — результат дисперсии. Полную математическую теорию, учитывающую дифракцию и интерференцию, разработал в 1836 году английский астроном Джордж Бидделл Эйри.

¶Наблюдение и условия

Для наблюдения радуги необходимы три условия: источник света (обычно Солнце) за спиной наблюдателя, дождевая завеса впереди и достаточная высота светила над горизонтом. Чем ниже Солнце, тем выше поднимается дуга. При высоте светила более 42° радуга не видна, поскольку её дуга целиком уходит под горизонт. Наиболее эффектные радуги наблюдаются утром и вечером.

¶Радуга в культуре

Радуга занимает заметное место в мифологии и культуре разных народов. В славянской традиции она связывалась с небесными явлениями и нередко персонифицировалась. В Библии радуга предстаёт как знамение завета между Богом и людьми после потопа. В скандинавской мифологии радужный мост Биврёст соединяет мир людей и мир богов. В культуре XX—XXI веков радужный спектр стал широко использоваться как графический символ в дизайне, искусстве и различных общественных движениях; в ряде стран и контекстов его применение имеет символическое значение, трактовка которого зависит от культурной и правовой среды.

¶Близкие явления

С радугой связан ряд родственных оптических эффектов: гало — кольца вокруг Солнца или Луны, возникающие на ледяных кристаллах облаков; венец — цветные кольца малого радиуса вокруг светила; глория — цветные круги вокруг тени наблюдателя на облаке или тумане. Все они обусловлены преломлением, отражением и дифракцией света в атмосферных частицах.

¶Практическое значение

Помимо эстетического и культурного значения, изучение рассеяния и преломления света в каплях лежит в основе атмосферной оптики, метеорологии и спектроскопии. Появление и вид радуги используются как косвенный признак состояния атмосферы: яркая радуга утром нередко предвещает дождь, вечерняя — улучшение погоды.

Источники: Аристотель. Метеорологика; Декарт Р. «Метеоры»; Ньютон И. «Оптика»; Борн М., Вольф Э. «Основы оптики»; Тарасов Л. В. «Физика в природе»; Минарт М. «Свет и цвет в природе».