Радуга: оптическое атмосферное явление¶

Радуга — оптическое атмосферное явление, наблюдаемое в виде разноцветной дуги (иногда окружности) на небесной сфере, возникающее вследствие преломления, отражения и дисперсии солнечного (или лунного) света в водяных каплях, взвешенных в атмосфере. Радуга представляет собой спектр излучения, разложенный по длинам волн, и воспринимается человеческим глазом как последовательность цветовых полос от красного до фиолетового.

¶Физическая природа явления

Основной механизм образования радуги — преломление света на границе раздела сред «воздух — вода» с последующим внутренним отражением внутри капли и выходом луча обратно в воздух. Впервые математически корректное объяснение явления дал Рене Декарт в 1637 году, а полную теорию с учётом волновой природы света разработал Томас Юнг в начале XIX века.

При прохождении луча через сферическую каплю воды свет преломляется на входе, испытывает одно внутреннее отражение от задней стенки капли и преломляется повторно на выходе. В результате угол между направлением падающего солнечного света и направлением вышедшего луча составляет примерно 42° для красного света и 40° для фиолетового. Именно эта разница в углах (около 2°) обусловлена дисперсией — зависимостью показателя преломления воды от длины волны света. Красный свет (длинноволновый) преломляется слабее, фиолетовый (коротковолновый) — сильнее.

Таким образом, наблюдатель видит радугу только тогда, когда солнце находится позади него, а дождевые капли — впереди. Центр дуги радуги лежит на прямой, соединяющей глаз наблюдателя с антисолнечной точкой (точкой, противоположной солнцу). Угловой радиус радуги составляет 42°, поэтому при высоте солнца над горизонтом более 42° первичная радуга с земли не видна.

¶Виды радуги

¶Первичная радуга

Наиболее часто наблюдаемый тип. Образуется лучами, испытавшими одно внутреннее отражение в капле. Верхняя (наружная) часть дуги окрашена в красный цвет, нижняя (внутренняя) — в фиолетовый. Цвета следуют в порядке убывания длины волны: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый.

¶Вторичная радуга

Возникает при двукратном внутреннем отражении света внутри капли. Расположена под угловым радиусом около 51° от антисолнечной точки, то есть выше и шире первичной. Порядок цветов во вторичной радуге обратный: красный — на внутренней стороне дуги, фиолетовый — на внешней. Вторичная радуга всегда бледнее первичной, так как при каждом отражении теряется часть световой энергии. Пространство между первичной и вторичной радугами (полоса Александра) заметно темнее окружающего неба.

¶Третичная и более высокие порядки

Радуги третьего и четвертого порядка (с тремя и четырьмя отражениями) направлены в сторону солнца, а не от него, и практически не видны на фоне солнечного света. Радуги пятого порядка теоретически возможны, но крайне слабы. В лабораторных условиях с использованием лазерного излучения и отдельных капель воды удавалось наблюдать радуги вплоть до 200-го порядка.

¶Другие разновидности

• Лунная радуга — возникает при освещении капель яркой луной; из-за слабости света воспринимается глазом как белая или слабоокрашенная дуга.
• Туманная (белая) радуга — образуется в очень мелких каплях тумана (менее 0,05 мм), где дифракция размывает цвета, и дуга выглядит почти белой.
• Огненная радуга — редкое явление, представляющее собой горизонтальную дугу, возникающую при преломлении света в кристаллах льда перистых облаков; строго говоря, радугой не является.
• Перевёрнутая радуга — также обусловлена кристаллами льда, дуга обращена выпуклостью вверх.
• Красная радуга — наблюдается на закате или восходе, когда атмосфера рассеивает коротковолновую часть спектра, и видимой остаётся преимущественно красная полоса.

¶Условия наблюдения

Для возникновения радуги необходимы два условия: наличие источника света (как правило, солнца) и взвешенных в воздухе водяных капель. Классическая ситуация — дождь при ярком солнце, когда облака уже ушли или разорваны, а осадки ещё выпадают на некотором удалении. Радуга видна на фоне дождевой завесы или стены ливня.

Поскольку радуга — явление оптическое, она не имеет физического местоположения в пространстве. Каждый наблюдатель видит собственную радугу, образованную разными каплями: при перемещении наблюдателя дуга смещается вместе с ним. Полная окружность радуги видна только с большой высоты — с борта самолёта или с горы, когда антисолнечная точка находится ниже линии горизонта наблюдателя.

¶История изучения

Радуга упоминается в Библии (Ноев завет), в древнегреческой мифологии (богиня Ирида) и в трудах Аристотеля, который в «Метеорологике» описал три цвета радуги и связал её с отражением света от облаков. В исламской средневековой науке Камаль ад-Дин аль-Фариси (XIII век) экспериментально исследовал преломление света в стеклянной сфере с водой. Независимо от него схожие опыты проводил Теодорик Фрайбургский.

Рене Декарт в 1637 году в работе «Метеоры» показал, что угол преломления в капле определяет положение радуги, но не смог объяснить происхождение цветов. Исаак Ньютон в 1672 году экспериментально доказал, что белый свет разлагается на спектр при прохождении через призму, и установил, что радуга — результат дисперсии. Томас Юнг в 1804 году объяснил вторичную радугу и тёмную полосу между дугами. Полная теория радуги, учитывающая дифракцию и интерференцию, была развита Джорджем Биделем Эйри в 1838 году (теория «радуги Эйри»).

¶Культурное значение

Радуга — универсальный символ, присутствующий в мифологии и культуре многих народов. В скандинавской мифологии Биврёст — радужный мост, соединяющий мир людей (Мидгард) с миром богов (Асгард). В славянском фольклоре радуга воспринималась как небесное коромысло, которым черпают воду из морей. В христианстве радуга — знак завета Бога с Ноем после потопа. В геральдике и политической символике радуга используется как знак мира и многообразия; с 1978 года радужный флаг является символом ЛГБТ (организация признана экстремистской, деятельность запрещена в РФ)-движения (движение ЛГБТ признано экстремистским и запрещено в РФ).

В русском языке существует устойчивое выражение «все цвета радуги», означающее максимальное разнообразие. Традиционно в русской культуре выделяют семь цветов радуги (красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый), что закреплено мнемонической фразой «Каждый охотник желает знать, где сидит фазан». В других культурах число цветов может различаться: например, в английском языке часто выделяют шесть цветов, а в некоторых африканских языках нет отдельного слова для голубого цвета.

¶Интересные факты

• Радуга всегда видна под углом не более 42°, поэтому с земли она выглядит дугой, а не окружностью.
• Фотографирование радуги позволяет зафиксировать более насыщенные цвета, чем видит человеческий глаз, из-за особенностей цветовосприятия.
• В пустынях и степях радуга может наблюдаться при пылевой буре, если капли воды конденсируются на пылевых частицах.
• Радуга может возникать и в брызгах водопадов, фонтанов и гейзеров при достаточной яркости солнца.
• В 2015 году жители Великобритании наблюдали радугу, длившуюся около шести часов, что стало рекордом продолжительности.

¶Источники

• Декарт Р. «Метеоры» (1637).
• Ньютон И. «Оптика» (1704).
• Юнг Т. «Курс лекций по натуральной философии» (1807).
• Эйри Дж. Б. «О радуге» (1838).
• Миннарт М. «Свет и цвет в природе» (русский перевод, 1958).
• Трифонов Е. Д. «Ещё раз о радуге» // Соросовский образовательный журнал, 2000.