Почему появляется радуга: физика света и капли воды

Радуга появляется потому, что каждая капля дождя действует как маленькая призма: она преломляет входящий солнечный луч, отражает его от внутренней поверхности и снова преломляет при выходе. При этом разные длины волн света отклоняются на разные углы, и белый свет разлагается в цветной спектр. Чтобы увидеть радугу, солнце должно быть за спиной наблюдателя, а дождевые капли находиться впереди.

Что происходит с лучом света внутри капли

Солнечный свет состоит из волн разных длин. Наш глаз воспринимает их как цвета: от красного с длиной волны около 700 нанометров до фиолетового с длиной около 380 нанометров. Когда луч света переходит из воздуха в воду, он меняет скорость и отклоняется. Это называется преломлением. Ключевое свойство воды в том, что разные длины волн преломляются по-разному. Красный свет отклоняется чуть меньше, фиолетовый немного больше. Разница кажется небольшой, всего около 2 градусов между крайними цветами, но именно она даёт видимую радугу. Войдя в каплю, луч преломляется, добирается до задней стенки капли, где значительная его часть отражается внутрь (как от зеркала), а затем преломляется ещё раз при выходе из капли наружу. В итоге красный цвет выходит из капли под углом около 42 градусов к входящему лучу, а фиолетовый под углом около 40 градусов. Поэтому красный оказывается снаружи дуги, а фиолетовый изнутри.

Почему радуга дугообразная

Геометрия радуги определяется положением солнца и наблюдателя. Поскольку все капли одинаковые, каждая из них отклоняет один и тот же цвет под одним и тем же углом. Для данного наблюдателя все капли, находящиеся под одним и тем же углом к линии взгляда от солнца к наблюдателю, посылают ему один цвет. Геометрическое место точек с одинаковым углом обзора образует дугу окружности. Это и есть радуга. Центр воображаемой окружности находится точно в точке, которая лежит на линии от солнца через голову наблюдателя, то есть так называемой антисолнечной точке. Чем ниже солнце над горизонтом, тем выше поднимается дуга радуги. Когда солнце у самого горизонта, радуга образует полукруг. Когда солнце поднимается выше 42 градусов над горизонтом, радуга уходит за горизонт и увидеть её с земли уже невозможно. Именно поэтому радугу чаще наблюдают утром или вечером, а не в полдень. С большой высоты, например из самолёта, можно увидеть полную окружность.

Почему иногда видна двойная радуга

Помимо основной, часто заметна вторая более слабая дуга. В ней цвета расположены в обратном порядке: красный внутри, фиолетовый снаружи. Эта вторичная радуга образуется в каплях, где свет отражается дважды от внутренней поверхности, прежде чем выйти наружу. Двойное внутреннее отражение переворачивает порядок цветов и уменьшает яркость: каждое отражение забирает часть света. Вторичная радуга находится выше основной и её центральный угол составляет около 51 градуса. Полоска неба между двумя радугами кажется заметно темнее окружающего неба. Это пространство называется полосой Александра по имени греческого учёного, описавшего его ещё в III веке нашей эры. Объяснение простое: капли в этой зоне не посылают рассеянный свет наблюдателю, поэтому небо там выглядит тусклее. Изредка при очень хороших условиях можно заметить третичную и даже четвертичную радугу, но они столь слабые, что различить их в обычных условиях почти невозможно.

Какими ещё бывают похожие явления

Радужные эффекты в природе не ограничиваются дождём. Кольцо вокруг солнца или луны, гало, образуется в перистых облаках, состоящих из шестигранных кристаллов льда. Кристаллы отклоняют свет иначе, чем капли, поэтому гало выглядит как кольцо радиусом 22 градуса вокруг светила. Если ледяные кристаллы ориентированы горизонтально, справа и слева от солнца появляются яркие пятна, называемые ложными солнцами или паргелиями. Всё это явления атмосферной оптики, в основе которых лежит один принцип: свет ведёт себя по-разному в средах с разным показателем преломления и разной геометрией. В России особенно богаты оптическими явлениями районы Арктики и Сибири, где холодный воздух с обилием ледяных кристаллов создаёт редкие световые эффекты, которые раньше принимали за мистические знаки.