Почему появляется радуга

Радугу создают капли воды: они преломляют и отражают солнечный свет.

После ливня можно увидеть мокрую дорогу, край дождевой тучи и яркую дугу над домами. Если остановиться и разобраться, окажется, что у этой картины есть довольно чёткие условия: где находится Солнце, куда смотреть и что происходит с лучом внутри капли. По ним можно не только объяснить радугу, но и попытаться сделать свою из водяных брызг.

В статье вы узнаете:

• Где искать радугу после дождя
• Что делает свет в одной капле
• Почему радуга имеет форму дуги
• Сколько у радуги цветов и почему они идут в этом порядке
• Почему появляется вторая радуга
• Можно ли сделать радугу самому
• Как проверить один шаг расчётом
• Короткие ответы на частые вопросы

Где искать радугу после дождя

Представьте вечер: дождь ещё идёт на одной стороне неба, а на другой уже светит Солнце. Повернитесь так, чтобы Солнце оказалось за вашей спиной, и смотрите на освещённые капли впереди. Именно в такой обстановке чаще всего замечают основную радугу. Если перед вами сплошная туча без солнечного света, каплям нечего направлять к глазу. Если дождь прошёл, а воздух уже совсем сухой, исчезают сами капли. О том, как появляются дождевые капли, есть отдельное объяснение.

Низкое Солнце особенно удобно: цветная дуга поднимается над горизонтом и её легче разглядеть. После полудня при высоком Солнце верхняя часть обычной радуги может оказаться низко или ниже горизонта. Это не вопрос «силы» солнца: видимое положение задаёт угол между направлением на Солнце и направлением, откуда к вам приходит свет капель. С горы или самолёта иногда открывается и часть дуги ниже привычного земного горизонта.

Есть простой способ проверить направление без приборов. Встаньте спиной к Солнцу и заметьте, куда указывает ваша тень. Примерно там находится центр окружности; цветную дугу ищите выше и по сторонам от этого направления. Если дождь только сбоку от него, перейдите туда, откуда освещённые капли окажутся перед вами: один поворот головы не изменит их расположение относительно Солнца.

Что делает свет в одной капле

Солнечный свет кажется белым, хотя в нём смешаны разные видимые цвета. На границе воздуха и воды луч меняет направление. Это называют преломлением. Причина в том, что свет распространяется в воздухе и воде по-разному; заметить поворот можно и у соломинки в стакане. В капле луч преломляется при входе, часть его отражается от задней внутренней поверхности и идёт обратно, а на выходе снова преломляется. Один внутренний «разворот» даёт основную радугу.

Разные цвета на границе воды поворачивают чуть по-разному. Такое разделение называется дисперсией. Капля отправляет свет разных цветов в разные стороны. Для глаза наблюдателя важны только те лучи, которые после всей цепочки попали именно к нему. Поэтому видимую красную часть дуги и видимую фиолетовую часть составляют разные группы капель; одна капля не рисует перед нами готовую семицветную дугу.

Отражение в капле обычно частичное: некоторая доля света выходит иначе и не участвует в знакомой яркой дуге. Кроме того, лучи входят в каплю в разных точках и проходят разные пути. На схеме показан один из них, а видимая радуга собирается из света множества капель.

Почему радуга имеет форму дуги

Попробуйте представить множество капель перед собой после дождя. Лучи попадают в каждую каплю не в одной точке, а на разном расстоянии от её центра. Их пути различаются, но после преломления и одного отражения многие лучи выходят почти в одном направлении. Там света оказывается больше и появляется яркая полоса. Национальная метеослужба США показывает этот ход луча и объясняет угол яркой дуги. Для красного цвета основной радуги это направление лежит примерно в 42° от точки, противоположной Солнцу. Для фиолетового угол немного меньше, около 40°. Эти углы измеряют от направления на центр радуги, а не от поверхности земли или от края капли. Все направления под одним углом к центральной оси образуют конус, а на небе видны как окружность вокруг этого центра.

Стоя на земле, вы обычно видите верхнюю часть окружности: нижнюю закрывают горизонт, дома или холмы. С высоты, если солнечные капли видны и ниже линии взгляда, можно увидеть почти полный круг. Поэтому радуга не является цветным предметом, закреплённым над конкретным деревом. Дерево помогает запомнить место в кадре, но дуга определяется положением ваших глаз, Солнца и капель.

Два человека рядом смотрят на разные наборы капель под почти одинаковыми углами. Их радуги выглядят похожими, но буквально это не один и тот же пучок света. Сделайте несколько шагов в сторону: дуга как будто движется вместе с вами, потому что теперь подходящие лучи приходят от других капель. Поэтому дойти до «начала радуги» или найти под ним предмет нельзя.

Сколько у радуги цветов и почему они идут в этом порядке

В школе часто перечисляют семь цветов: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый. Запоминать последовательность удобно, но у природы нет линий, которые делят свет ровно на семь частей. Британская метеослужба тоже описывает радугу как непрерывный спектр. Видимый спектр непрерывен: между знакомыми названиями множество переходных оттенков. Даже граница между голубым и синим зависит от того, как мы называем цвет и как различаем соседние оттенки.

У основной радуги красный цвет снаружи дуги, фиолетовый внутри. Проверяйте порядок именно от внешнего края к центру окружности, а не слева направо: на обоих концах дуги полосы лежат одна над другой. Разница в преломлении цветов приводит к тому, что яркие лучи каждого цвета приходят к глазу под немного разными углами. Поэтому цветные полосы не накладываются полностью.

Радуга редко выглядит как нарисованная ровной кистью схема. У неё бывают бледные участки: капель может быть мало, свет от фона мешает различать цвет, а размеры капель влияют на вид полос. В одном кадре красный край хорошо виден, а фиолетовый почти пропадает. Увидеть лишь часть последовательности ещё не значит, что «остальные цвета исчезли» из солнечного света.

Почему появляется вторая радуга

Иногда выше основной дуги видна ещё одна, более слабая. В некоторых лучах свет дважды отражается внутри капли до выхода. Такой путь создаёт вторичную радугу. Она лежит снаружи основной, примерно в области 51–54° от точки, противоположной Солнцу, и цвета в ней идут в обратном порядке: фиолетовый снаружи, красный внутри.

Посмотрите на две дуги как на проверку объяснения. Если бы вторая была просто размытой копией первой, порядок цветов не менялся бы. Здесь другой путь света внутри капли даёт другую геометрию выхода. После дополнительных отражений до глаза доходит меньше света, поэтому внешняя дуга обычно заметно бледнее. Между дугами небо нередко кажется темнее; там слабее свет, который попадает к нам по двум основным радужным путям. Это всё ещё освещённое небо, а не чёрная пустая полоса.

Не каждый цветной круг вокруг Солнца или самолёта является радугой. Если яркий объект находится перед вами, а не за спиной, сначала проверьте, не наблюдаете ли вы другое оптическое явление, например гало вокруг Солнца. Узнаваемый признак обычной дождевой радуги остаётся тем же: Солнце позади наблюдателя, капли впереди.

Можно ли сделать радугу самому

Да. Выберите солнечный день и место, где удобно распылять воду на фоне тени или тёмной зелени. Встаньте спиной к Солнцу, направьте мелкие брызги перед собой и ищите цвет на каплях выше и по сторонам от направления своей тени. Лучше распылять веером и чуть менять угол струи, чем пытаться держать воду в одной точке. Часть капель окажется там, откуда нужные лучи попадут в ваши глаза, и возникнет небольшая радуга.

Если цвета не появились, меняйте положение себя или струи, сохраняя Солнце сзади. Посмотрите на брызги с разных расстояний и на более тёмном фоне. Не пытайтесь «добавить больше цветов» сильной струёй: крупный сплошной поток хуже создаёт широкое поле мелких капель. Опыт показывает важное свойство радуги: она зависит от направления взгляда. Другой человек, стоящий рядом, может видеть дугу в другом месте брызг.

Есть и домашний вариант с призмой у окна, если она есть. Она тоже разделяет свет на цвета благодаря преломлению, но на стене получается полоска спектра, а не дождевой круг. У капли для привычной радуги к преломлению добавляется внутреннее отражение и особая геометрия множества капель. Эти два опыта связаны одной причиной разделения цветов, но их рисунок получается разным.

Как проверить один шаг расчётом

Если хочется увидеть, насколько меняется направление луча при переходе из воздуха в воду, откройте калькулятор преломления света. Введите для первой среды n₁ = 1 (воздух), для второй n₂ = 1,33 и угол падения 45°. Угол измеряется от перпендикуляра к границе, а не вдоль поверхности. Затем замените n₂ на 1,34: это приближённые показатели для двух условных цветов. Угол внутри среды изменится с 32,1° до 31,8°. Разница мала, но именно с такого различия начинается разделение цветов при прохождении света через каплю.

Это учебное сравнение, а не точный расчёт конкретного дождя. Показатель воды зависит от длины волны и условий, а калькулятор рассматривает одну плоскую границу. Для всей радуги нужны форма капли, отражение внутри неё и выход луча обратно в воздух. Поэтому результат страницы показывает, откуда начинается разделение цветов, но не предсказывает место дуги на небе.

Короткие ответы на частые вопросы

Почему радуга появляется после дождя, а не во время каждого дождя? Нужны одновременно освещённые капли перед вами и солнечный свет за спиной. Сплошные облака могут закрыть Солнце, а иногда дождь идёт не там, куда надо смотреть относительно него. Когда облака расходятся, условия могут сложиться на несколько минут.

Бывает ли радуга без дождя? Да. Подходящие капли создают распылитель, водопад, фонтан или морские брызги. Солнце и взгляд должны расположиться так же, как при дожде. У очень мелких капель цвета иногда бледные и плохо разделены.

Почему радугу нельзя увидеть с двух сторон одинаково? Лучи приходят в глаз под определёнными углами от направления, противоположного Солнцу. Если смотреть со стороны Солнца на ту же стену дождя, нужная геометрия уже не складывается. Другой наблюдатель может видеть собственную радугу в других каплях.

Можно ли увидеть радугу ночью? При достаточно яркой Луне и подходящих каплях возникает лунная радуга. Она обычно выглядит гораздо менее насыщенной, потому что света мало и ночью глазу труднее различать цвета. Принцип движения света в каплях остаётся тем же.

Запомнить явление можно по одной сцене: Солнце за спиной, капли впереди, свет поворачивает на входе и выходе, а часть его отражается внутри. Угол, под которым лучи достигают глаза, собирает капли в дугу. Следующий раз после дождя сначала найдите направление своей тени, затем осмотрите освещённые капли вокруг него. Это гораздо надёжнее, чем искать радугу наугад по всему небу.

Есть что добавить?

Напишите своё мнение, комментарий или предложение.