Радуга с точки зрения физики

Простое и наглядное объяснение оптического феномена

Радуга похожа на настоящую магию. Она такая красивая и волшебная в небе после дождя, когда выглядывает солнце, что заставляет нас чувствовать себя счастливыми, не так ли?

Но, как происходит это магическое волшебство? Как в небе появляются эти разноцветные дуги? Давайте разберемся.

Начнем с основ физики. Белый солнечный свет состоит из множества различных световых волн разной длины. В зависимости от длины волны он воспринимается нашим глазом как определенный цвет  —  от красного (самые длинные волны) до фиолетового (самые короткие). При смешении все эти цвета и дают видимый белый свет.

Принято выделять семь основных цветов, которые мы называем цветами радуги: красный, оранжевый, желтый зеленый, голубой, синий и фиолетовый. Эти цвета легко запоминаются по первым буквам известной всем ещё из детства фразы:

Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан.

Кроме того, в белом солнечном свете присутствуют волны, которые наш глаз не видит —   ультрафиолетовые (короче фиолетовых) и инфракрасные (длиннее красных). Первые известны тем, что вызывают загар на нашем теле, а вторые — это тепловое излечение или попросту тепло, которое мы чувствуем, когда солнечные лучи падают на наше лицо и тело.

Проходя через границу неоднородных сред (например воздуха и воды или воздуха и стекла) белый свет преломляется и разлагается на отдельные цвета, которые мы называем спектром. Чтобы увидеть эти цвета спектра, можно использовать трехгранную призму, которая преломляя солнечный свет выделяет из него все цветовые составляющие. 

Дисперсия света.

Именно из-за преломления света бриллианты играют цветными огнями.

Но, вернемся к нашей радуге. Цвета спектра и есть цвета радуги.

Когда солнечный свет сталкивается с каплей дождя, часть света от неё отражается, а остальная часть попадает во внутрь капли. Свет преломляется на поверхности капли, потом этот свет попадает на заднюю стенку капли дождя и отражается от неё. Когда этот внутренне отраженный свет вновь достигает поверхности капли, он снова преломляется при выходе. Вот как это выглядит на схеме:

Как видим, часть поступающего солнечного света отражается обратно под некоторым углом. Этот угол не зависит от размера капли, но зависит от показателя преломления воды капли. Для дождевой воды показатель преломления равен 1,333, поэтому угол отражения получается около 42°. А морская вода имеет более высокий показатель преломления, чем дождевая, поэтому радиус радуги в морских брызгах меньше, чем у дождевой.

Фактически, это угол между солнцем, каплей дождя и глазом наблюдателя. Однако, поскольку дождевых капель много, лучи преломленного и отраженного света от разных капель образуют конус с вершиной в зрачке наблюдателя и осью, проходящей через наблюдателя и солнце. Окружность в основании этого конуса и будет радуга. Но, поскольку наблюдатель находится на земле, он видит только часть окружности — дугу. Из этого также следует, что само солнце должно находиться не выше 42° над горизонтом. Вот почему радугу невозможно увидеть в летний полдень, когда солнце высоко в зените. Вообще, чем ниже над горизонтом находится солнце, тем большей будет радуга.

Если же наблюдателя поднять над землей, например на воздушном шаре или самолете, то при определённых обстоятельствах он сможет увидеть радугу в форме полного круга.

Сама радуга не находится в одном конкретном месте. Существует множество радуг, однако, только одну из них может видеть наблюдатель в зависимости от местоположения его и солнца.

Все капли дождя преломляются и отражают солнечный свет одинаковым образом, но только свет от некоторых капель дождя достигает глаза наблюдателя. Этот свет и есть радуга для этого наблюдателя.

Вернемся к схеме преломления солнечного света в капле воды. Эффект разложения белого света на цветные составляющие (спектр) называется дисперсией. На картинке с призмой видно, что фиолетовый и синий свет (короткие волны) преломляются под большим углом, чем красный свет, но за счет отражения световых лучей от задней поверхности капли воды, фиолетовые и синие лучи выходят из капли под меньшим углом к входящему лучу солнечного света, чем лучи красного света. Из-за этого синий цвет виден на внутренней стороне дуги радуги, а красный  — снаружи. 

Но, бывают двойные радуги у которых порядок цветов второй, наружной дуги обратный. Эта вторая дуга образована лучами двойного преломления солнечного света в каплях воды. Поэтому наружная радуга всегда бледнее основной внутренней. 

Схема поясняет, как образуется двойная радуга.

Схема образования двойной радуги: 1) сферическая капля; 2) внутреннее отражение; 3) первичная радуга; 4) преломление; 5) вторичная радуга; 6) входящий луч света; 7) ход лучей при формировании первичной радуги; 8) ход лучей при формировании вторичной радуги; 9) наблюдатель; 10) область формирования первичной радуги; 11) область формирования вторичной радуги;  12) облако капелек

Угловой радиус вторичной радуги  —  50..53°. Небо между двумя радугами обычно заметно более тёмное, эту область называют полосой Александра.

Двойная радуга.