После летнего ливня небо ещё хранит серость, а солнце уже выглядывает из-за тучи — и вот между землёй и небесами раскрывается цветная арка, словно кто-то развернул над миром семиполосную ленту. Радуга всегда кажется немного нереальной: вот она есть, а вот её уже нет, стоит лишь ступить шаг в сторону.
За этой красотой стоит точная, почти ювелирная физика. Солнечный свет, миллионы дождевых капель, конкретные углы наклона — и вот мы имеем одно из самых поэтичных оптических явлений нашей планеты. Что интересно, радуга существует не «там», а именно «для вас» — у каждого наблюдателя она своя.
Разложим это чудо на составляющие: от движения луча внутри капли до того, почему мы видим именно семь цветов и почему радуга всегда убегает, когда к ней бежишь.
Что такое радуга с физической точки зрения
Радуга — это атмосферное оптическое явление, которое возникает в результате трёх последовательных процессов в дождевой капле: преломления света на входе, внутреннего отражения от задней стенки и повторного преломления на выходе. Проще говоря, белый солнечный свет попадает в капельку, преломляется о её поверхность, отражается изнутри и выходит наружу уже разложенным на спектр.
Интересный нюанс: радуга не является физическим объектом. Её нельзя потрогать, обойти или найти конец. Это оптическое изображение, которое формируется именно для ваших глаз под определённым углом. Если рядом с вами стоит друг, он видит «свою» радугу — немного в другом месте, с немного другими капельками-участницами. По данным Википедии, явление связано с преломлением и отражением, а отчасти и с дифракцией солнечного света в водяных каплях, взвешенных в воздухе.
Форма арки — тоже не случайность. На самом деле радуга имеет форму полного круга, просто половину его «съедает» горизонт. Пилоты самолётов и пассажиры, которые летят над облаками, иногда фиксируют полную круглую радугу — зрелище почти мистическое.
Преломление и дисперсия: что происходит внутри капли
Вся магия разворачивается в пределах одной капельки диаметром от нескольких десятых миллиметра до пары миллиметров. Когда луч солнца касается её поверхности, происходит первое преломление — скорость света в воде меньше, чем в воздухе, поэтому луч меняет направление. Внутри капля ведёт себя как крошечная линза.
Далее наступает ключевой момент — дисперсия. Белый свет на самом деле является смесью волн разной длины, и каждая длина волны преломляется под своим углом. Красный луч отклоняется меньше, фиолетовый — больше. Белый свет буквально «распадается» на составляющие, словно зёрна спектра раскатываются веером.
Разложенный свет доходит до задней стенки капли, отражается от неё по закону зеркального отражения и возвращается вперёд. На выходе из капли снова происходит преломление — и цвета окончательно расходятся. Самая яркая дуга, которую мы называем первичной радугой, образуется лучами, которые претерпели одно отражение внутри капель.
Магические углы 40 и 42 градуса
Радугу всегда видно под строго определённым углом к антисолнечной точке — примерно 40–42 градуса. Это не случайное число, а результат геометрии преломления воды с показателем 1,33.
Этот угол — настоящий «пароль» радуги. Красные лучи выходят из капель под углом около 42 градусов к направлению солнечного света, а фиолетовые — под углом примерно 40,6 градуса. Именно поэтому красная полоса всегда оказывается снаружи дуги, а фиолетовая — внутри. Не наоборот, не случайно — это жёсткий закон оптики.
Из этого следует и другое: если солнце висит выше 42 градусов над горизонтом, радуги вы не увидите вообще. Вершина «дуги» окажется ниже горизонта. Поэтому в Украине летом в полдень, при высоком солнце, искать радугу бесполезно. Лучшее время — утро или вечер, когда солнце низко и дуга поднимается высоко.
| Цвет | Длина волны, нм | Угол выхода из капли |
| Красный | 620–750 | ≈ 42,0° |
| Оранжевый | 590–620 | ≈ 41,5° |
| Желтый | 570–590 | ≈ 41,3° |
| Зеленый | 495–570 | ≈ 41,0° |
| Голубой | 450–495 | ≈ 40,8° |
| Синий | 440–450 | ≈ 40,7° |
| Фиолетовый | 380–440 | ≈ 40,6° |
Данные по материалам научного источника Википедия. Как видим, разница между красным и фиолетовым краем радуги составляет всего около полутора градусов — и именно в этой узкой полоске помещается весь видимый спектр. Поэтому радуга всегда тоненькая и нежная, а не широкая, как мог бы выдавать её эффектный вид.
Почему мы видим семь цветов
Семцветная классификация — Красный, Оранжевый, Жёлтый, Зелёный, Голубой, Синий, Фиолетовый — это культурная, а не физическая истина. На самом деле спектр радуги непрерывный: от глубокого пурпурного до густого красного без каких-либо чётких границ. Цвета плавно перетекают один в другой, как акварель.
Деление на семь цветов ввёл Исаак Ньютон в XVII веке. Учёный хотел согласовать количество цветов с семью нотами музыкальной гаммы и семью днями недели — это была своеобразная философская идея гармонии вселенной. Если бы Ньютон выбрал другой культурный код, мы бы, возможно, считали в радуге пять или девять полос. В некоторых культурах традиционно выделяют лишь 4–5 цветов, в других — больше.
Глаз человека воспринимает радугу в зависимости от яркости, фона неба, размера капель и даже собственной индивидуальной чувствительности. В крупных каплях (более 1 мм) цвета насыщенные и чёткие, в мелких (около 0,1 мм) — размытые и бледные. Поэтому радуга над морем после грозы может быть ослепительно-яркой, а утренняя в тумане — нежно-пастельной.
Двойная, перевёрнутая, лунная: виды радуг
Классическая арка — не единственный вариант. Природа умеет создавать несколько десятков разновидностей этого явления, и каждый имеет свою физику.
- Двойная радуга — над основной дугой появляется вторая, более тусклая, с обратным порядком цветов. Её даёт двойное внутреннее отражение в капле, угол — около 51 градуса.
- Туманная (белая) радуга — широкая беловатая дуга в мелком тумане, где капли слишком малы (до 25 мкм) для чёткого разложения спектра.
- Лунная радуга — ночная сестра дневной, возникает при яркой полной луне. Глаза почти не различают её цветов, поэтому она кажется серебристой, но на фотографиях с длинной выдержкой спектр проявляется.
- Огненная радуга (околозенитная дуга) — редкая разновидность гало на перистых облаках, когда солнце висит выше 58 градусов. Не связана с дождём вообще.
- Перевёрнутая дуга — тоже из семейства гало, выглядит как «улыбка неба».
Каждый из этих типов — отдельная геометрическая задача. В темноте между первичной и вторичной радугой существует заметно более тёмная полоса — её называют полосой Александра, в честь греческого философа, который описал явление ещё во II веке. Лучи просто не возвращаются к глазу наблюдателя из этого сектора неба, поэтому он кажется более тусклым, чем остальное.
История научного объяснения
Путь человечества к пониманию радуги длился почти два тысячелетия. Аристотель ещё 2300 лет назад предполагал, что это отражение солнца от облака. В XIII веке францисканский монах Роджер Бэкон, наблюдая за преломлением света в каплях росы и брызгах мельничных колёс, первым вычислил угол 42 градуса между лучами солнца и лучами, которые возвращаются в глаз от радуги.
Первое полное математическое объяснение радуги дал французский философ и учёный Рене Декарт в 1637 году — он точно описал траектории лучей в капле. А уже Исаак Ньютон добавил финальное звено: доказал опытами с призмой, что белый свет состоит из спектра.
В XIV веке немецкий учёный Теодорих Фрайзингенский моделировал дождевые капли стеклянными шарами, наполненными водой. В XIX веке австрийский метеоролог Йозеф Пернтер уточнил теорию, добавив влияние дифракции — это объяснило сверхкомплектные дуги, которые иногда появляются внутри основной радуги. Современная оптическая теория использует аппарат рассеяния Ми для точного моделирования.
Как создать радугу своими руками
Для домашнего эксперимента не нужен дождь. Достаточно солнечного дня, садового шланга с насадкой-распылителем и немного терпения. Встаньте спиной к солнцу и направьте струю мелких капель вперёд-вверх, удерживая примерно тот же угол в 40–42 градуса. В водяной пыли появится маленькая, но настоящая радуга — со всеми цветами и правильным порядком полос.
Другой вариант — стакан с водой на подоконнике. Поставьте его у края, направьте солнечный свет так, чтобы луч проходил сквозь воду, а за стаканом положите белый лист. На бумаге появится небольшой спектр — это те же цвета, что и в небесной дуге, только в миниатюре. Призма тоже работает по подобному принципу — преломление и дисперсия.
Такие эксперименты хорошо работают как школьные опыты по физике или как простой способ показать детям, что красота природы имеет точное научное объяснение. Эффект гарантированно впечатляет — особенно когда удаётся «поймать» дугу прямо у себя во дворе.
Почему радуга всегда «убегает»
Попробуйте подойти к радуге — она сместится. Попробуйте найти её «конец» со сказкой о горшке золота — конца не существует. Это не магия, а простая оптика: угол наблюдения остаётся постоянным относительно вас и солнца. Когда вы двигаетесь, в формировании радуги участвуют уже другие капельки, а старые «выпадают» из нужного угла. Поэтому радуга всегда сопровождает вас на постоянном «расстоянии»-угле, не приближаясь и не удаляясь.
Это и делает её личным явлением. Та арка, которую видите вы, — буквально ваша, ни с кем не общая. Её формируют конкретные капельки, которые отправляют свет именно в ваши зрачки. Сосед в пяти метрах видит технически другую радугу, из другого набора капель, но такой же формы и цвета.
Чем ниже солнце к горизонту, тем выше поднимается дуга радуги, и тем большую часть круга мы видим. На рассвете или перед закатом солнца можно увидеть почти полукруглую арку — низкую, широкую, монументальную. А днём, когда солнце высоко, радуга сжимается в маленький фрагмент над самым горизонтом или исчезает вообще. Украинские летние радуги чаще всего появляются после грозовых ливней во второй половине дня — когда атмосфера ещё насыщена влагой, а солнце уже склонилось к закату. Это момент, когда стоит посмотреть на восток, потому что именно там, против солнца, развернётся цветная арка над полями, лесами и крышами.