Почему появляется радуга и откуда берутся её цвета

Радуга появляется, когда солнечный свет проходит через множество капель воды в воздухе. В каждой капле свет преломляется, отражается от внутренней поверхности и снова преломляется при выходе. При этом разные цвета отклоняются немного по-разному, поэтому белый солнечный свет разделяется на цветной спектр.

Именно поэтому радугу чаще всего можно увидеть после дождя, когда Солнце уже вышло из-за облаков, а в воздухе всё ещё остаётся множество капель воды.

Как капля воды превращает белый свет в радугу

Солнечный свет кажется нам белым, однако он состоит из электромагнитного излучения разных длин волн. Видимая часть этого диапазона воспринимается человеком как цвета от красного до фиолетового.

Когда солнечный луч входит в каплю воды из воздуха, его направление меняется. Это явление называется преломлением. Причём разные длины волн преломляются немного по-разному. Красный свет отклоняется меньше, а фиолетовый — сильнее. Поэтому первоначально смешанные цвета начинают разделяться.

Но одного преломления недостаточно для образования обычной радуги. Свет проходит через каплю в несколько этапов. Сначала луч преломляется при входе в воду. Затем часть света достигает противоположной поверхности капли и отражается обратно внутрь. После этого луч выходит из капли и ещё раз преломляется.

В результате часть света возвращается примерно в направлении, откуда он пришёл, но уже разделённой на цвета. Миллионы капель одновременно направляют такие лучи в сторону наблюдателя, и человек видит большую цветную дугу.

Почему радугу видно только напротив Солнца

Положение Солнца имеет решающее значение. Чтобы увидеть обычную радугу, нужно находиться между Солнцем и дождём: Солнце должно быть за спиной, а освещённые капли воды — впереди.

Центр радуги располагается в направлении, противоположном Солнцу. Поэтому вечером, когда Солнце находится на западе, радугу обычно следует искать в восточной части неба. Есть и другое важное условие — высота Солнца.

Основная радуга наблюдается примерно под углом 42° относительно направления, противоположного Солнцу. Поэтому с поверхности Земли её особенно удобно наблюдать утром и вечером, когда Солнце находится сравнительно низко над горизонтом.

Чем ниже Солнце, тем выше может подниматься радуга над горизонтом. Когда Солнце поднимается высоко, большая часть окружности оказывается ниже линии горизонта и становится невидимой наблюдателю.

Почему радуга имеет форму дуги

Радуга на самом деле не является просто дугой. Геометрически она представляет собой окружность. Мы видим только её верхнюю часть, потому что нижнюю обычно закрывает поверхность Земли.

Каждая подходящим образом расположенная капля отправляет свет в сторону наблюдателя под определённым углом. Все капли, способные направить свет нужного цвета в глаза человека, образуют вокруг направления, противоположного Солнцу, воображаемый конус.

Для наблюдателя его проекция выглядит как окружность. С земли нижняя часть этой окружности скрыта. Но если подняться достаточно высоко — например, на самолёте, — при подходящих условиях можно увидеть почти полную круглую радугу.

Откуда берутся цвета радуги

Белый солнечный свет состоит из множества длин волн, которые человеческий глаз воспринимает как разные цвета. В воде скорость распространения света уменьшается, причём величина преломления немного зависит от длины волны. Это явление называется дисперсией.

Поэтому красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий и фиолетовый свет выходят из капли под немного разными углами.

В обычной первичной радуге красный цвет находится с внешней стороны дуги, а фиолетовый — с внутренней. Однако привычное представление о семи цветах радуги несколько условно.

Между красным и оранжевым или, например, зелёным и голубым нет резкой физической границы. Видимый спектр непрерывен и содержит огромное количество промежуточных оттенков. Деление радуги на несколько основных цветов просто помогает человеку описывать увиденное.

Почему одна капля не создаёт всю радугу

Иногда радугу представляют так, будто каждая капля превращается в маленькую цветную призму и отправляет наблюдателю сразу всю видимую радугу. В действительности картина сложнее.

Из одной конкретной капли в глаз наблюдателя при определённой геометрии преимущественно приходит свет определённого цвета. Например, капли, расположенные выше, могут направлять к наблюдателю красный свет, а находящиеся немного ниже — фиолетовый.

Поэтому видимая радуга формируется огромным количеством капель, расположенных в разных точках пространства. Причём капли постоянно падают и сменяют друг друга. Несмотря на это, радуга кажется неподвижной, потому что на место одной капли приходит другая, занимающая подходящее положение относительно Солнца и наблюдателя.

Почему каждый человек видит свою радугу

У радуги нет фиксированного положения в пространстве, как у облака, дерева или здания. Её положение зависит от трёх факторов: Солнца, капель воды и наблюдателя.

Если два человека стоят в разных местах, свет в их глаза попадает от разных капель. Даже находящиеся рядом наблюдатели в строгом физическом смысле видят немного разные радуги. По этой же причине невозможно приблизиться к «концу радуги».

Когда человек идёт в его сторону, меняется положение наблюдателя. Следовательно, меняется и набор капель, способных направлять свет в его глаза. Радуга словно перемещается вместе с человеком. Поэтому никакой конкретной точки на земле, где заканчивается радуга, не существует.

Откуда берётся двойная радуга

Иногда над основной яркой радугой появляется вторая, более слабая дуга. Она называется вторичной радугой.

Главное отличие заключается в количестве внутренних отражений света. При формировании основной радуги луч отражается внутри капли один раз. При образовании вторичной — два раза. Дополнительное отражение изменяет направление выходящего из капли света. Поэтому вторая радуга появляется дальше от центра первой.

Она обычно заметно слабее, поскольку при каждом взаимодействии с границей воды часть света теряется. Есть ещё одна характерная особенность: порядок цветов во вторичной радуге перевёрнут. У основной радуги красный находится снаружи, а фиолетовый внутри. У вторичной всё наоборот: красный оказывается ближе к основной радуге, а фиолетовый — с внешней стороны.

Почему между двумя радугами небо кажется темнее

При хорошо выраженной двойной радуге можно заметить тёмную область между двумя цветными дугами. Она называется полосой Александра.

Причина снова заключается в геометрии распространения света. В область внутри основной радуги и за пределами вторичной попадает больше света, вышедшего из капель после соответствующих отражений. Между двумя дугами таких лучей значительно меньше.

Поэтому участок неба между радугами выглядит более тёмным по сравнению с соседними областями. Эффект особенно хорошо заметен, когда радуги яркие, а фон образован достаточно однородными серыми облаками.

Почему радуга иногда бывает очень яркой

Яркость радуги зависит сразу от нескольких условий. Большое значение имеет интенсивность солнечного света. Если Солнце яркое, а перед наблюдателем находится плотная область дождевых капель, радуга может выглядеть очень насыщенной.

Влияет и размер капель. Крупные дождевые капли обычно позволяют получить более отчётливые и насыщенные цвета. Очень мелкие капли сильнее размывают цветовую структуру.

Поэтому особенно эффектные радуги нередко появляются во время кратковременных ливней, когда одна часть неба уже освещена ярким Солнцем, а в противоположной стороне ещё идёт дождь.

Может ли радуга появиться без дождя

Для образования радуги дождь как таковой не обязателен. Нужны солнечный свет и множество капель воды подходящего размера. Поэтому небольшие радуги можно наблюдать возле водопадов, фонтанов и даже обычных садовых разбрызгивателей.

Если в солнечный день распылять воду так, чтобы Солнце находилось за спиной, в водяном облаке можно увидеть небольшую радугу. Физический механизм будет тем же, что и у огромной радуги после дождя.

Почему радуга в тумане почти белая

Иногда вместо яркой разноцветной радуги возникает широкая белая или очень бледная дуга. Такое явление называют туманной радугой.

Капли воды в тумане значительно меньше типичных дождевых капель. Из-за их небольшого размера цветные полосы становятся широкими и начинают сильно перекрываться. В результате отдельные цвета практически перестают различаться, и наблюдатель видит преимущественно белую дугу.

Поэтому наличие воды и солнечного света ещё не гарантирует появление привычной яркой радуги. Размер капель тоже имеет значение.

Бывает ли радуга ночью

Радуга может появляться и ночью, если вместо прямого солнечного света капли освещает достаточно яркая Луна. Такое явление называют лунной радугой.

Принцип её образования практически не отличается от обычной солнечной радуги. Свет Луны входит в капли воды, преломляется, отражается и снова выходит наружу. Но лунный свет значительно слабее прямого солнечного. В условиях слабого освещения человеческий глаз хуже различает цвета, поэтому лунная радуга часто кажется беловатой.

Фотоаппарат с достаточно длинной выдержкой способен собрать больше света и показать цвета, которые человеку практически не видны. Для яркой лунной радуги требуется сочетание нескольких условий: достаточно яркая Луна, тёмное небо, капли воды и подходящее взаимное положение Луны и наблюдателя.

Чем радуга отличается от глории

С радугой можно спутать другое атмосферное оптическое явление — глорию. Она обычно выглядит как небольшие цветные кольца вокруг тени наблюдателя на облаке или тумане. Особенно часто глории видят пассажиры самолётов: вокруг тени самолёта на облаках появляются концентрические цветные окружности.

Внешне глория действительно напоминает маленькую круглую радугу, однако физические механизмы этих явлений различаются. Обычная радуга связана прежде всего с преломлением, дисперсией и внутренним отражением света в каплях дождя. Для образования глории существенную роль играют волновые свойства света и взаимодействие света с очень мелкими каплями.

Можно ли создать радугу самостоятельно

Самый простой эксперимент можно провести в солнечный день с обычным распылителем воды. Нужно встать спиной к Солнцу и распылять перед собой мелкие капли. Если выбрать правильное направление, в облаке воды появится небольшой участок радуги.

Есть и другой классический эксперимент — стеклянная призма.

Призма не создаёт настоящую атмосферную радугу, поскольку в ней отсутствует характерное внутреннее отражение света в сферических каплях. Однако она хорошо демонстрирует главное свойство, отвечающее за цвета радуги: разные длины волн преломляются неодинаково и поэтому белый свет разделяется на спектр.