Познавательные факты
Почему появляется радуга
Replyon.net
Радуга появляется, когда солнечный свет проходит через множество капель воды в воздухе. Внутри каждой капли происходит сразу несколько процессов: свет преломляется, разделяется на цвета, отражается от внутренней поверхности капли, а при выходе наружу преломляется ещё раз.
Но одного дождя и Солнца для появления радуги недостаточно. Наблюдатель должен оказаться в правильном месте: солнце находится позади него, а капли воды — впереди. Именно поэтому радугу невозможно увидеть где угодно относительно Солнца.Есть и ещё одна необычная особенность. Радуга на самом деле не заканчивается у земли и даже не является дугой. Геометрически это полный круг, большую часть которого нам обычно закрывает горизонт.
Разберёмся, как обычная капля дождя превращает белый солнечный свет в одно из самых красивых оптических явлений природы.
Из чего состоит солнечный свет
Солнечный свет кажется человеку белым, однако это смесь электромагнитных волн разных длин. В видимой части спектра мы воспринимаем их как разные цвета — от красного до фиолетового. Если разделить белый свет на составляющие, появляется знакомая последовательность цветов.
Классический пример — стеклянная призма. Но для появления радуги никакой стеклянной призмы в небе не требуется. Её роль выполняют капли воды.Когда луч солнечного света попадает из воздуха в воду, скорость распространения света меняется, а сам луч отклоняется от первоначального направления. Это явление называется преломлением, или рефракцией.
Причём свет разных длин волн преломляется немного по-разному. Фиолетовая часть видимого спектра отклоняется сильнее, красная — слабее. В результате первоначально белый свет начинает разделяться на цвета. Этот процесс называется дисперсией света.
Что происходит внутри капли дождя
Рассмотрим одну каплю. Солнечный луч попадает на её поверхность и при переходе из воздуха в воду преломляется. Часть света проходит дальше, достигает противоположной стороны капли и отражается от её внутренней поверхности.
После этого свет направляется обратно и снова достигает границы воды и воздуха. Выходя из капли, он преломляется ещё раз. Получается последовательность: преломление → внутреннее отражение → ещё одно преломление.
При этом разные цвета покидают каплю под немного разными углами. Именно поэтому наблюдатель получает из определённых капель красный свет, из других, расположенных немного иначе, — оранжевый, жёлтый, зелёный, синий и фиолетовый.Одна капля сама по себе не создаёт огромную разноцветную полосу в небе. Видимая радуга складывается из света, приходящего к нашим глазам от огромного количества разных капель.
Почему для радуги Солнце должно быть за спиной
Для наблюдения радуги Солнце должно находиться позади человека, а взвешенные в воздухе капли воды — впереди. Это одно из важнейших условий.
Свет должен прийти от Солнца, попасть в расположенные перед наблюдателем капли, отразиться внутри них и вернуться в направлении его глаз. Поэтому обычная радуга появляется на стороне неба, противоположной Солнцу.
А если Солнце закрыто плотными облаками и прямые солнечные лучи не достигают дождя, яркой обычной радуги не будет, даже если перед вами идёт дождь.
Именно поэтому особенно эффектные радуги часто возникают при довольно странной погоде: в одной части неба ещё идёт дождь, а в другой уже светит Солнце.
Почему радуга имеет форму дуги
Здесь начинается самое интересное. Капли находятся перед человеком в самых разных местах, однако далеко не каждая из них может отправить нужный свет именно в его глаза.
Для первичной радуги наиболее яркий свет приходит примерно под углом около 40–42° относительно направления, противоположного Солнцу; для красного внешнего края обычно говорят примерно о 42°.Представим воображаемую линию, проходящую от Солнца через голову наблюдателя в противоположную сторону неба. На небесной сфере существует точка точно напротив Солнца — антисолярная точка.
Теперь проведём вокруг этой оси все возможные направления под нужным углом. Получится не дуга, а конус с наблюдателем в вершине. Капли, расположенные на поверхности этого воображаемого конуса, способны направить свет определённого цвета к глазам человека.
А видимое основание такого конуса представляет собой окружность. Поэтому радуга круглая не из-за круглой формы Земли и не потому, что капли расположились в небе дугой. Её форма определяется геометрией распространения света.На самом деле радуга круглая
С земли мы почти всегда видим только верхнюю часть этой окружности. Причина проста: нижнюю часть закрывает поверхность Земли.
Антисолярная точка для человека, стоящего на земле, обычно располагается ниже горизонта. Поэтому значительная часть круга оказывается там, где вместо дождевых капель перед нами находится земля. Но если подняться достаточно высоко и получить капли воды также ниже уровня наблюдателя, ситуация меняется.
Например, из самолёта или с большой высоты при подходящих условиях можно увидеть полную круглую радугу. То, что мы называем «дугой радуги», — всего лишь видимая с поверхности Земли часть окружности.Почему радугу чаще видно утром и вечером
Положение радуги напрямую связано с высотой Солнца. Чем ниже Солнце над горизонтом, тем выше поднимается противоположная ему часть радуги. Поэтому ранним утром или ближе к вечеру можно увидеть огромную высокую дугу.
По мере подъёма Солнца радуга опускается. Для обычной первичной радуги существует ещё более интересное ограничение. Если Солнце находится выше примерно 42° над горизонтом, наблюдатель на уровне земли уже не сможет увидеть обычную первичную радугу: необходимая геометрия уводит её ниже горизонта.Поэтому летом около полудня, когда Солнце стоит высоко, можно попасть под короткий солнечный дождь и всё равно не увидеть радугу. Зато утром или вечером условия для неё значительно благоприятнее.
Почему красный цвет сверху, а фиолетовый снизу
Разные длины волн света преломляются водой неодинаково. Красный свет отклоняется меньше, а фиолетовый — сильнее. После прохождения через каплю они выходят под немного различающимися углами. Из-за этого цвета оказываются пространственно разделены.
У обычной первичной радуги красный находится с внешней стороны дуги, а фиолетовый — с внутренней. Между ними располагаются остальные видимые цвета. При этом привычное деление радуги именно на семь цветов довольно условно.
В природе между красным, оранжевым, жёлтым, зелёным, голубым, синим и фиолетовым нет резких границ. Спектр непрерывен, а названия цветов — удобный способ разделить его на понятные человеку участки.
Поэтому в радуге нет семи отдельных цветных полос в буквальном смысле. Мы видим плавный переход множества оттенков.
У каждого человека своя радуга
Это одна из самых необычных особенностей явления. Кажется, что два человека, стоящие рядом, смотрят на одну и ту же радугу — точно так же, как они смотрят на одно дерево или здание. Но с радугой всё устроено иначе.
Чтобы определённая капля участвовала в формировании радуги, свет от неё должен попасть непосредственно в глаз конкретного наблюдателя под необходимым углом. Если человек сделает шаг в сторону, геометрия изменится. Теперь нужный свет будут отправлять ему уже немного другие капли.У стоящего рядом человека глаза находятся в другом месте, следовательно, его радугу формирует другой набор капель. Различие обычно настолько мало, что визуально оба наблюдателя видят практически одинаковую дугу. Но физически свет приходит к ним не от абсолютно одного и того же набора капель.
Поэтому радуга не является неподвижным объектом, висящим где-то над полем. Она существует как оптическое явление, зависящее от положения Солнца, капель и самого наблюдателя. Радуга не находится в каком-то определённом месте: для её появления важно положение наблюдателя.
Можно ли подойти к радуге
Невозможно добраться до «конца радуги». Если начать двигаться в его направлении, положение наблюдателя будет постоянно меняться. Вместе с вами будет изменяться и набор капель, которые отправляют солнечный свет в глаза под нужным углом.
Радуга фактически перемещается вместе с наблюдателем. Поэтому никакой физической точки, в которой цветная дуга касается земли, не существует.Со стороны может показаться, что радуга заканчивается возле конкретного дерева, дома или поля. Но человек, находящийся возле этого дерева, увидит радугу уже в другом направлении относительно себя.
Так что найти место, где радуга «стоит на земле», невозможно не из-за расстояния, а потому что такого места вообще нет.
Почему иногда появляются две радуги
Иногда над яркой основной радугой можно увидеть вторую — более широкую и значительно более тусклую. Это вторичная радуга.
Её появление связано с тем, что солнечный свет внутри капли отражается не один, а два раза. Дополнительное отражение меняет геометрию выхода лучей и приводит к потере части света. Поэтому вторичная радуга слабее основной и располагается дальше от антисолярной точки — примерно около 50–53°. Но у неё есть ещё одна характерная особенность. Последовательность цветов перевёрнута.Если у основной радуги красный находится снаружи, то у вторичной он расположен со стороны внутреннего края второй дуги. Поэтому двойная радуга — это не просто копия первой, появившаяся чуть выше. Она создаётся светом, прошедшим через капли по другой траектории.
Почему между двумя радугами небо темнее
Если внимательно посмотреть на хорошую двойную радугу, можно заметить ещё одну странность. Небо между двумя дугами выглядит темнее, чем внутри основной радуги и за внешней стороной вторичной. Эта область называется полосой Александра, или тёмной полосой Александра.
Причина опять связана с геометрией лучей. Капли внутри основной дуги могут направлять к наблюдателю дополнительный свет после одного внутреннего отражения. За вторичной дугой свет поступает по траекториям с двумя отражениями.А в промежутке между характерными углами первичной и вторичной радуг значительно меньше света от этих механизмов направляется к наблюдателю. В результате участок неба выглядит темнее.
Современные оптические расчёты хорошо воспроизводят и повышенную яркость внутри первичной радуги, и тёмную область между двумя дугами. Это не отдельное облако и не оптическая иллюзия от соседства ярких цветов — затемнение непосредственно связано с формированием двух радуг.Бывают ли радуги больше чем двойными
Да. Если свет способен отражаться внутри капли дважды, ничто принципиально не запрещает ему сделать это три, четыре или больше раз. Так возникают радуги более высоких порядков.
Но каждое дополнительное отражение уменьшает интенсивность выходящего света. Радуги становятся слабее и сложнее для наблюдения. Кроме того, радуги третьего и четвёртого порядка появляются уже в направлении Солнца, а не напротив него.Такие явления долгое время было чрезвычайно трудно зарегистрировать даже фотографически. Поэтому знакомая двойная радуга — далеко не предел возможного. Просто следующие порядки настолько слабые, что в обычной жизни мы их практически никогда не замечаем.
Что за дополнительные полосы внутри радуги
Иногда непосредственно под основной радугой можно заметить ещё несколько тонких розоватых, зелёных или фиолетовых дуг. Это не дополнительные обычные радуги. Их называют сверхчисленными радугами.
Объяснить их одной только геометрической оптикой уже невозможно. Здесь проявляется волновая природа света. Световые волны, прошедшие через каплю по немного различающимся траекториям, накладываются друг на друга. В одних направлениях они усиливают друг друга, в других — ослабляют.Возникает интерференция, которая и создаёт дополнительные светлые и тёмные цветные полосы. Особенно хорошо сверхчисленные дуги проявляются при подходящем распределении размеров капель.
Получается, что одна радуга способна одновременно демонстрировать сразу несколько фундаментальных свойств света: преломление, отражение, дисперсию и интерференцию.
Радуга бывает только после дождя?
Нет. Для радуги нужны не дождевые облака сами по себе, а капли воды, освещённые подходящим образом. Их можно получить искусственно.
В солнечный день достаточно распылить воду из садового шланга и встать так, чтобы Солнце оказалось за спиной. При правильном положении в облаке мелких капель появится небольшая радуга. Такой способ позволяет получить даже первичную и вторичную дуги.По той же причине радугу можно наблюдать возле водопадов, фонтанов и других мест, где в воздухе постоянно находится водяная взвесь. То есть дождь — всего лишь самый масштабный природный способ создать огромное количество подходящих капель.
Радужное облако — это тоже радуга?
Не обязательно. Иногда на облаках появляются яркие разноцветные пятна, которые внешне напоминают кусочки радуги. Но механизм может быть совершенно другим.
Так называемая иризация облаков возникает главным образом из-за дифракции света на мелких каплях воды или кристалликах льда примерно одинакового размера. Особенно часто эффект наблюдается в тонких облаках возле Солнца.
Обычная радуга формируется прежде всего благодаря преломлению, внутреннему отражению и дисперсии света в каплях. Поэтому не всякое разноцветное атмосферное явление является радугой, даже если внешне очень её напоминает.
Ссылки по теме:
