Після літньої зливи небо ще тримає сірість, а сонце вже визирає з-за хмари — і тут між землею та небесами розкривається кольорова арка, наче хтось розгорнув над світом семисмугову стрічку. Веселка завжди здається трохи нереальною: ось вона є, а ось її вже немає, варто лише ступити крок убік.
За цією красою стоїть точна, майже ювелірна фізика. Сонячне світло, мільйони дощових крапель, конкретні кути нахилу — і ось маємо одне з найпоетичніших оптичних явищ нашої планети. Що цікаво, веселка існує не «там», а саме «для вас» — у кожного спостерігача вона своя.
Розкладемо це диво на складники: від руху променя всередині краплі до того, чому ми бачимо саме сім кольорів і чому веселка завжди тікає, коли до неї біжиш.
Що таке веселка з фізичної точки зору
Веселка — це атмосферне оптичне явище, яке виникає внаслідок трьох послідовних процесів у дощовій краплі: заломлення світла на вході, внутрішнього відбиття від задньої стінки та повторного заломлення на виході. Простіше кажучи, біле сонячне світло потрапляє в крапельку, ламається об її поверхню, відбивається зсередини і виходить назовні вже розкладеним на спектр.
Цікавий нюанс: веселка не є фізичним об’єктом. Її не можна торкнутися, обійти чи знайти кінець. Це оптичне зображення, яке формується саме для ваших очей під певним кутом. Якщо поряд із вами стоїть друг, він бачить «свою» веселку — трохи в іншому місці, з трохи іншими крапельками-учасницями. За даними Вікіпедії, явище пов’язане із заломленням і відбиттям, а почасти і з дифракцією сонячного світла у водяних краплях, зважених у повітрі.
Форма арки — теж не випадковість. Насправді веселка має форму повного кола, просто половину його «з’їдає» горизонт. Пілоти літаків і пасажири, які летять над хмарами, інколи фіксують повну круглу веселку — видовище майже містичне.
Заломлення і дисперсія: що відбувається всередині краплі
Уся магія розгортається в межах однієї крапельки діаметром від кількох десятих міліметра до пари міліметрів. Коли промінь сонця торкається її поверхні, відбувається перше заломлення — швидкість світла у воді менша, ніж у повітрі, тому промінь змінює напрямок. Усередині крапля поводиться як крихітна лінза.
Далі настає ключовий момент — дисперсія. Біле світло насправді є сумішшю хвиль різної довжини, і кожна довжина хвилі заломлюється під своїм кутом. Червоний промінь відхиляється менше, фіолетовий — більше. Біле світло буквально «розпадається» на складники, наче зернини спектра розкочуються віялом.
Розкладене світло доходить до задньої стінки краплі, відбивається від неї за законом дзеркального відбиття і повертається вперед. На виході з краплі знову відбувається заломлення — і кольори остаточно розходяться. Найяскравіша дуга, яку ми називаємо первинною веселкою, утворюється променями, що зазнали одного відбивання всередині крапель.
Магічні кути 40 і 42 градуси
Веселку завжди видно під суворо визначеним кутом до антисонячної точки — приблизно 40–42 градуси. Це не випадкове число, а результат геометрії заломлення води з показником 1,33.
Цей кут — справжній «пароль» веселки. Червоні промені виходять із крапель під кутом близько 42 градусів до напрямку сонячного світла, а фіолетові — під кутом приблизно 40,6 градуса. Саме тому червона смуга завжди опиняється зовні дуги, а фіолетова — всередині. Не навпаки, не випадково — це жорсткий закон оптики.
Із цього випливає й інше: якщо сонце висить вище 42 градусів над горизонтом, веселки ви не побачите взагалі. Вершина «дуги» опиниться нижче горизонту. Тому в Україні влітку, опівдні, при високому сонці, шукати райдугу марно. Найкращий час — ранок або вечір, коли сонце низько і дуга піднімається високо.
| Колір | Довжина хвилі, нм | Кут виходу з краплі |
| Червоний | 620–750 | ≈ 42,0° |
| Оранжевий | 590–620 | ≈ 41,5° |
| Жовтий | 570–590 | ≈ 41,3° |
| Зелений | 495–570 | ≈ 41,0° |
| Блакитний | 450–495 | ≈ 40,8° |
| Синій | 440–450 | ≈ 40,7° |
| Фіолетовий | 380–440 | ≈ 40,6° |
Дані за матеріалами наукового джерела Вікіпедія. Як бачимо, різниця між червоним і фіолетовим краєм веселки становить лише близько півтора градуса — і саме в цій вузенькій смужці вміщується весь видимий спектр. Тому веселка завжди тоненька і ніжна, а не широка, як міг би видавати її ефектний вигляд.
Чому ми бачимо сім кольорів
Семикольорова класифікація — Червоний, Оранжевий, Жовтий, Зелений, Блакитний, Синій, Фіолетовий — це культурна, а не фізична істина. Насправді спектр веселки безперервний: від глибокого пурпурового до густого червоного без жодних чітких меж. Кольори плавно перетікають один в одного, як акварель.
Поділ на сім кольорів увів Ісаак Ньютон у XVII столітті. Учений хотів узгодити кількість кольорів із сімома нотами музичної гами та сімома днями тижня — це була своєрідна філософська ідея гармонії всесвіту. Якби Ньютон обрав інший культурний код, ми б, можливо, рахували в веселці п’ять або дев’ять смуг. У деяких культурах традиційно виділяють лише 4–5 кольорів, в інших — більше.
Око людини сприймає веселку залежно від яскравості, фону неба, розміру крапель і навіть власної індивідуальної чутливості. У великих крапель (понад 1 мм) кольори насичені й чіткі, у дрібних (близько 0,1 мм) — розмиті й бліді. Тому веселка над морем після грози може бути сліпучо-яскравою, а ранкова в тумані — ніжно-пастельною.
Подвійна, перевернута, місячна: види веселок
Класична арка — не єдиний варіант. Природа вміє створювати кілька десятків різновидів цього явища, і кожен має свою фізику.
- Подвійна веселка — над основною дугою з’являється друга, тьмяніша, з оберненим порядком кольорів. Її дає подвійне внутрішнє відбиття в краплі, кут — близько 51 градуса.
- Туманна (біла) веселка — широка білувата дуга в дрібному тумані, де краплі занадто малі (до 25 мкм) для чіткого розкладання спектра.
- Місячна веселка — нічна сестра денної, виникає при яскравому повному місяці. Очі майже не розрізняють її кольорів, тому вона здається сріблястою, але на фотографіях із довгою витримкою спектр проявляється.
- Вогняна веселка (навколозенітна дуга) — рідкісний різновид гало на перистих хмарах, коли сонце висить вище 58 градусів. Не пов’язана з дощем взагалі.
- Перевернута дуга — теж із сімейства гало, виглядає як «усмішка неба».
Кожен із цих типів — окрема геометрична задача. У темряві між первинною і вторинною веселкою існує помітно темніша смуга — її називають смугою Александра, на честь грецького філософа, який описав явище ще у II столітті. Промені просто не повертаються до ока спостерігача із цього сектора неба, тому він здається тьмянішим за решту.
Історія наукового пояснення
Шлях людства до розуміння веселки тривав майже два тисячоліття. Арістотель ще 2300 років тому припускав, що це відбиття сонця від хмари. У XIII столітті францисканський монах Роджер Бекон, спостерігаючи за заломленням світла в краплях роси та бризках млинових коліс, першим обчислив кут 42 градуси між променями сонця і променями, що повертаються в око від веселки.
Перше повне математичне пояснення веселки дав французький філософ і вчений Рене Декарт у 1637 році — він точно описав траєкторії променів у краплі. А вже Ісаак Ньютон додав фінальну ланку: довів дослідами з призмою, що біле світло складається зі спектра.
У XIV столітті німецький учений Теодоріх Фрайзингенський моделював дощові краплі скляними кулями, наповненими водою. У XIX столітті австрійський метеоролог Йозеф Пернтер уточнив теорію, додавши вплив дифракції — це пояснило надкомплектні дуги, які іноді з’являються всередині основної веселки. Сучасна оптична теорія використовує апарат Мі-розсіювання для точного моделювання.
Як створити веселку власноруч
Для домашнього експерименту не потрібен дощ. Достатньо сонячного дня, садового шланга з насадкою-розпилювачем і трохи терпіння. Станьте спиною до сонця і направте струмінь дрібних крапель уперед-угору, тримаючи приблизно той самий кут у 40–42 градуси. У водяному пилу з’явиться маленька, але справжня веселка — з усіма кольорами та правильним порядком смуг.
Інший варіант — склянка з водою на підвіконні. Поставте її біля краю, спрямуйте сонячне світло так, щоб промінь проходив крізь воду, а за склянкою покладіть білий аркуш. На папері з’явиться невеликий спектр — це ті самі кольори, що в небесній дузі, тільки в мініатюрі. Призма теж працює за подібним принципом — заломлення і дисперсія.
Такі експерименти добре працюють як шкільні досліди з фізики або як простий спосіб показати дітям, що краса природи має точне наукове пояснення. Ефект гарантовано вражає — особливо коли вдається «впіймати» дугу прямо у себе на подвір’ї.
Чому веселка завжди «тікає»
Спробуйте підійти до веселки — вона зміститься. Спробуйте знайти її «кінець» із казкою про горщик золота — кінця не існує. Це не магія, а проста оптика: кут спостереження залишається сталим відносно вас і сонця. Коли ви рухаєтеся, у формуванні веселки беруть участь уже інші крапельки, а старі «випадають» із потрібного кута. Тому веселка завжди супроводжує вас на постійній «відстані»-куті, не наближаючись і не віддаляючись.
Це й робить її особистим явищем. Та арка, яку бачите ви, — буквально ваша, ні з ким не спільна. Її формують конкретні крапельки, що відправляють світло саме в ваші зіниці. Сусід за п’ять метрів бачить технічно іншу веселку, з іншого набору крапель, але такої ж форми та кольору.
Чим нижче сонце до горизонту, тим вище піднімається дуга веселки, і тим більшу частину кола ми бачимо. На світанку чи перед заходом сонця можна побачити майже піврічну арку — низьку, широку, монументальну. А вдень, коли сонце високо, веселка стискається в маленький фрагмент над самим горизонтом або зникає взагалі. Українські літні веселки найчастіше з’являються після грозових злив у другій половині дня — коли атмосфера ще насичена вологою, а сонце вже схилилося до заходу. Це момент, коли варто подивитися на схід, бо саме там, проти сонця, розгорнеться кольорова арка над полями, лісами і дахами.