Радуга — атмосферное явление, наблюдаемое при освещении ярким источником света (в природе Солнцем или Луной) множества водяных капель (дождя или тумана). Выглядит как разноцветная дуга или окружность, составленная из цветов спектра видимого излучения. Чаще всего радуга наблюдается в прямых лучах солнца после дождя или при искусственном разбрызгивании воды. Общественная служба новостей расскажет, как образуется радуга.
Физические процессы, стоящие за радугой
Чтобы понять, как формируется радуга, необходимо рассмотреть физические процессы, лежащие в основе этого явления.
· Солнечный свет представляет собой электромагнитное излучение, охватывающее широкий спектр длин волн. Видимая часть спектра включает волны длиной от 380 до 740 нанометров. Каждой длине волны соответствует определенный цвет: красный (наибольшая длина), оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый (наименьшая длина). Белый свет является результатом смешения всех этих цветов.
· При переходе света из одной среды в другую (например, из воздуха в воду) происходит изменение его скорости и направления — явление, называемое преломлением. Коэффициент преломления зависит от длины волны: короткие волны (фиолетовый свет) преломляются сильнее, чем длинные (красный свет). Это разложение света на составляющие цвета называется дисперсией. В капле воды дисперсия разделяет белый свет на спектральные компоненты.
· После преломления на внешней поверхности капли свет отражается от ее внутренней стенки. Угол отражения зависит от точки входа луча в каплю. Большинство лучей покидают каплю после однократного отражения, но часть света может отражаться несколько раз.
Роль капель воды в атмосфере при образовании радуги
Радуга невозможна без участия капель воды, которые действуют как миниатюрные призмы, преломляющие и отражающие солнечный свет.
· Капли дождя имеют сферическую форму из-за поверхностного натяжения воды. Диаметр типичной капли варьируется от 0,5 до 2 мм. Чем крупнее капли, тем ярче и четче радуга. Мелкие капли (менее 0,5 мм) создают размытые дуги с преобладанием белого света.
· Радуга возникает только при наличии множества капель, расположенных в определенной области неба. Эти капли должны находиться на противоположной от Солнца стороне относительно наблюдателя. Равномерное распределение капель обеспечивает непрерывность дуги, а их концентрация влияет на насыщенность цветов.
· Классическая радуга наблюдается во время или же сразу после дождя, когда капли достаточно крупные. В тумане, состоящем из микроскопических капель, радуга проявляется как белесая дуга (так называемая «туманная радуга»), поскольку дисперсия подавляется рассеянием света.
Геометрия радуги
Радуга — это результат строгой геометрической закономерности.
· Радуга образуется, когда свет преломляется, отражается и снова преломляется в капле под определенным углом. Для красного света этот угол составляет около 42° относительно линии «Солнце — наблюдатель — центр радуги», для фиолетового — примерно 40°. Разница в углах приводит к разделению цветов.
· Радуга видна только при условии, что Солнце находится не выше 42° над горизонтом. Чем ниже Солнце, тем выше поднимается дуга. При солнечной высоте более 42° радуга уходит за горизонт. Наблюдатель всегда видит радугу как окружность с центром в точке, противоположной Солнцу.
· Полная окружность радуги теоретически возможна при наблюдении с высоты (например, с самолета), но с земли видна лишь верхняя половина дуги. Нижняя часть скрыта горизонтом. Искривление дуги объясняется геометрией рассеяния света в сферических каплях.
Цветовой спектр
Цвета радуги обусловлены целым рядом строгих физических законов.
· Дисперсия в капле воды приводит к пространственному разделению цветов. Красный свет, имеющий меньший угол отклонения, располагается на внешней стороне дуги, фиолетовый — на внутренней. Промежуточные цвета занимают положение в соответствии с длиной волны.
· Стандартная последовательность цветов в первичной радуге: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Во вторичной радуге, возникающей после двукратного отражения света в капле, порядок цветов обратный. Между первичной и вторичной радугами наблюдается темная полоса, где свет ослаблен интерференцией.
· Яркость радуги зависит от размера капель и угла падения солнечного света. Наиболее насыщенные цвета наблюдаются при освещении под углом, близком к углу Брюстера (около 53° для воды), когда отражение минимально, а преломление максимально.
Читайте также по теме: