Радуга: как она образуется и почему в ней семь цветов

Чтобы понять, как именно образуется это природное явление, проследим за солнечным лучом внутри одной капли. Небольшие дождевые капли близки по форме к сфере благодаря поверхностному натяжению. Свет проходит в такой капле три основных этапа:

1. Преломляется. Луч входит из воздуха в воду и меняет направление.
2. Отражается. Часть света отражается от внутренней поверхности капли.
3. Снова преломляется. Свет выходит из воды обратно в воздух и ещё раз меняет направление.

Почему при этом появляются разные цвета? Свет — это электромагнитные волны, и одна из их характеристик — длина волны. Наш глаз воспринимает свет с разными длинами волн как разные цвета: более коротким волнам видимого диапазона соответствует фиолетовая часть спектра, более длинным — красная.

Солнечный свет содержит волны разных длин. Когда он попадает в каплю воды, они преломляются немного по-разному: коротковолновый фиолетовый и синий свет отклоняется сильнее красного.

После прохождения через капли свет разных цветов направляется к наблюдателю под немного разными углами. Поэтому каждый цвет занимает своё место в радуге.

Чем больше угол, тем дальше цвет оказывается от центра радуги. Поэтому красный образует внешний край дуги, а фиолетовый — внутренний. Остальные цвета располагаются между ними. Разницы всего в несколько градусов достаточно, чтобы мы видели отдельную цветную полосу.

Мы привыкли говорить, что в радуге семь цветов: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий и фиолетовый. Но в самом спектре нет чётких границ, которые делили бы его ровно на семь полос.

Привычное деление связано с Исааком Ньютоном. В опытах с призмами он показал, что белый свет состоит из составляющих, которые преломляются по-разному, и обозначил в непрерывном спектре семь цветовых областей. Ньютон сравнивал их с музыкальной октавой, которую тоже делят на интервалы.

Так деление на семь цветов со временем стало традиционным. При этом сама цветная полоса может выглядеть по-разному: меняются ширина и насыщенность цветов, а рядом с основной дугой иногда появляются дополнительные структуры.

Иногда рядом с яркой основной радугой можно увидеть вторую, более слабую дугу. Она возникает из-за того, что часть света проходит внутри капли другой путь: отражается от её внутренней поверхности два раза вместо одного. После второго отражения свет выходит из капли под другим углом, поэтому вторичная дуга появляется дальше от точки, противоположной Солнцу. Её внутренний край находится примерно в 50–51° от этой точки.

Есть и ещё одно заметное отличие: цвета во второй дуге расположены в обратном порядке.

Вторая дуга обычно выглядит слабее основной. Из-за дополнительного внутреннего отражения меньшая часть исходного света выходит из капель в направлении наблюдателя. Поэтому вторичная дуга заметна хуже, а иногда её почти не видно.

Если видны сразу две радуги, пространство между ними часто кажется заметно темнее остального неба. Эта область называется полосой Александра — в честь Александра Афродисийского, который описал это явление примерно около 200 года нашей эры.

Причина такого контраста связана с распределением света. Внутри первичной радуги небо обычно светлее: туда попадает дополнительный свет от капель, формирующих основную дугу. Похожее осветление возникает и с внешней стороны вторичной радуги благодаря лучам вторичного порядка.

А вот в пространство между двумя дугами такого дополнительного света попадает значительно меньше.

После внутреннего отражения в каплях часть солнечного света возвращается в сторону наблюдателя. Поэтому искать это явление нужно на противоположной от Солнца стороне неба.

Важно и то, насколько высоко находится Солнце. Если оно поднимается выше примерно 42° над горизонтом, обычная радуга с земли обычно уже не видна: дуга оказывается ниже горизонта. Поэтому чаще всего подходящие условия возникают, когда Солнце находится сравнительно низко.

С земли мы видим только часть дуги, но на самом деле она образует окружность. Нижнюю часть круга скрывает горизонт. С большой высоты, например из самолёта, если освещённые капли находятся ниже наблюдателя, иногда можно увидеть почти полный или полный радужный круг.

Поэтому цветную дугу можно увидеть в брызгах водопада, фонтана или распылителя.

Если капли совсем мелкие, как в тумане, вместо ярких цветов может появиться широкая и бледная туманная дуга. Её цвета сильно перекрываются, поэтому иногда она выглядит почти белой. Это связано в том числе с волновыми свойствами света и дифракцией.

Радуга возможна и зимой, даже при температуре ниже нуля, если в воздухе остаются жидкие переохлаждённые капли. А вот ледяные кристаллы чаще создают гало — светлое кольцо или дугу вокруг Солнца или Луны. Оно может напоминать радугу, но возникает по другому механизму: свет преломляется и отражается в кристаллах льда.

Самый простой способ — устроить маленькую радугу из водяных брызг. В солнечный день встань спиной к Солнцу и распыли перед собой воду из пульверизатора. Посмотри на облако мелких капель: при подходящем положении в нём появится небольшая цветная дуга. Свет проходит через эти капли почти так же, как при образовании природной радуги.

Отдельно можно увидеть, как белый свет разделяется на цвета. Для этого понадобится прозрачная призма. Направь на неё узкий пучок белого света и расположи белый экран так, чтобы на него попадал свет после прохождения через призму. На экране появится цветной спектр — результат дисперсии.

Можно ли дотронуться до радуги?

Нет. Радуга не находится в определённом месте, как обычный предмет. Её положение зависит от наблюдателя и капель, от которых свет в этот момент попадает ему в глаза. Если ты переместишься, изменится и набор этих капель — поэтому приблизиться к радуге и дотронуться до неё невозможно.

Бывает ли радуга ночью?

Да. Ночью можно увидеть лунную радугу. Она возникает так же, как обычная, только капли воды освещает не Солнце, а Луна. Лучше всего такую радугу видно при яркой, почти полной Луне, когда она находится невысоко над горизонтом. Нужны также тёмное небо и капли воды. Лунного света гораздо меньше, чем солнечного, поэтому глазу такая радуга часто кажется почти белой. Зато на фотографии с длительной выдержкой её цвета видны лучше.

Даже знакомый порядок этих цветов и форма дуги не случайны — они определяются законами оптики и взаимным положением Солнца, капель и наблюдателя.

За явлением, которое длится порой совсем недолго, скрывается много интересной физики. Здесь можно увидеть в действии преломление, дисперсию и отражение света, а в более сложных случаях — ещё и его волновые свойства. Так обычные капли воды превращают солнечный свет в одно из самых заметных оптических явлений природы.