Радуги — одни из самых захватывающих оптических явлений в мире природы, и Гавайи наделены их удивительным обилием.
Радуги на Гавайях настолько распространены и в то же время настолько ошеломительны, что они появляются в гавайских песнопениях и легендах, на номерных знаках и в названиях гавайских спортивных команд и местных предприятий (рис. 1 ) . Посетители и местные жители часто оставляют свои машины на обочине дороги, чтобы сфотографировать эти яркие полосы света.
Культурное значение радуги отражено в гавайском языке, в котором много слов и фраз для описания разнообразия проявлений радуги на Гавайях, некоторые из которых представлены в Таблице 1 . Есть слова для цепляющихся за землю радуг , стоячих радужных столбов , едва видимых радуг и лунных луков (Pukui and Elbert 1986 ) .
В гавайской мифологии радуга является символом трансформации и пути между измерениями, как и во многих культурах по всему миру, и те, кто может свободно путешествовать между верхним миром и нижним, живут подобно богам среди людей, наслаждаясь земным благополучием и избыток. Радуга — это небесный путь, по которому гавайские боги спускаются на Землю из своего дома в божественных сферах. Ушедшие души идут по радужному пути, чтобы пройти через Куайхелани, таинственный плавучий остров, который «поддерживает небеса», чтобы достичь священной земли Нуумеалани, яркой, возвышенной и благоухающей земли «небесного». Радуга также служит подставкой для ног Маланаикуахеахеа, жены легендарного путешественника через Тихий океан и астронома, чье имя Макалии
Согласно гавайской легенде, у Кахаукани и Кауакуахине, вождя и вожди долины Маноа, была прекрасная дочь Кахалапуна. Когда родители Кахалапуны узнали о ее смерти от рук ревнивого жениха, они оба превратились в свои духовные формы. Кахаукани превратился в ветер Маноа, а Кауакуахине превратился в дожди Маноа. С тех пор, как ветры Маноа несут туманные дожди вниз по долине, Кахалапуна предстает в виде радуги ( рис. 2 ). Гавайский университет в Маноа часто благословляется присутствием Кахалапуны.
Уакоко, низко парящая радуга над долиной Маноа (фото Денниса Ода). Согласно гавайской легенде, Кахалапуна известна как Радужная дева, рожденная божественным ветром и дождем долины Маноа. С древних времен долина считалась «королевским дворцом радуг», где можно увидеть прекрасную Радужную Деву, играющую везде, где солнечный свет касается туманного дождя.
После уроков естествознания в старшей школе: наука о феномене радуги
Чтобы понять, почему небо над Гавайями склонно к радуге, полезно некоторое понимание явления радуги. К сожалению, радуга, как и другие атмосферные оптические эффекты, часто очень кратко освещается на всех уровнях образования от начальной школы до университета. В этом разделе исследуется не только то, как водные сферы отражают и преломляют свет для создания особой конической геометрии радуги, но и более сложные оптические эффекты, вызванные волнообразной природой света и распределением размеров дождевых капель при рассеивании.
Многие ранние философы (например, Аристотель ∼350 г. до н.э., Александр Афродисийский ∼200 г. н.э., Авиценна ∼1000 г. н.э., Теодорих Фрайбергский ∼1300 г.) размышляли о происхождении радуг и знали, что они появляются, когда солнечный свет падает на капли дождя. Однако первым, кто дал удовлетворительное объяснение феномену радуги, был Рене Декарт в своих « Рассуждениях о методе» в 1637 году ( Descartes 1637 ).
Декарт описывает эксперименты со стеклянными сферами, наполненными водой, подобные тем, которые проделал Теодорих Фрайбергский в 1304 году. Однако Декарт также выполнил количественную трассировку лучей для параллельного солнечного света, используя правильный закон преломления, который он вывел независимо от голландского ученого Виллеброрда Снелла (рис . 3а ). Анализ Декарта правильно предсказал высокие угловые концентрации лучей, выходящих из сферической капли вблизи радужного угла рассеяния α .= 42°, известный как луч Декарта. Эта концентрация лучей помогает объяснить яркость основного лука. Лучи, входящие в каплю выше луча Декарта, выходят из капли под углом менее 42°. Декарт показал, что каждая капля дождя отбрасывает конус света обратно к солнцу (или источнику света) под углом 42° к оси, параллельной солнечному лучу, проходящему через центр капли (рис. 3б и 4а ) . Если глаз наблюдателя улавливает свет вдоль светового конуса капли, эта капля добавит одну искорку цвета к радуге наблюдателя ( рис. 4b ). Миллиарды капель дождя, распределенные по конусу под правильными углами обзора, способствуют явлению, которое мы воспринимаем как первичную радугу ( рис. 5 ).
Сразу после восхода солнца угол наклона солнца над горизонтом мал (например, 2° над горизонтом), и радуги в это время образуют высокую арку 1 (около 40° над горизонтом). По мере того, как утром солнце поднимается в небе под более высокими углами, высота радуги уменьшается до тех пор, пока над горизонтом не будет видна радуга ( рис. 5 ). Картина меняется на противоположную, когда солнце садится во второй половине дня: радуги поднимаются на востоке, а самые высокие радуги - незадолго до заката. На Гавайях радугу можно увидеть зимой в течение большей части дня (~8,5 ч, ~78% светового дня в день зимнего солнцестояния), а летом радуга может украшать наши утренние и дневные часы (~6,5 ч, ~58% светового дня). светового дня в день летнего солнцестояния).
Когда солнечные лучи испытывают два внутренних отражения в сферических каплях, результатом является концентрация лучей, выходящих из капель под углом рассеяния α = 51°, в результате чего возникает вторичная радуга, которая появляется за пределами первичной радуги ( рис. 6 ). . Из-за дополнительного отражения порядок цветов вторичной радуги противоположен цветам первичной: красный внутри и фиолетовый снаружи дуги.
Анализ Декарта также подтвердил, что ни один луч не может быть отклонен более чем на ∼42 ° по пути луча, включающему ровно одно внутреннее отражение, и ни один луч не может быть отклонен более чем на ∼51 ° по пути луча, включающему ровно два внутренних отражения. Таким образом, существует область между первичной и вторичной радугами, которая кажется темной и известна как темная полоса Александра в честь Александра Афродисийского, впервые описавшего ее (рис. 6) .). Темная полоса Александра не совсем темная из-за «внешнего» фона света от неба и облаков или диффузного многократного рассеяния от других дождевых капель, что характерно для естественных радужных изображений. Свет также попадает в эту область в результате дисперсии из-за волновой природы света, которая не была до конца понята учеными времен Декарта, о чем будет сказано ниже.
Одно из великих открытий Декарта заключается в том, что каждый наблюдатель видит свою собственную радугу, состоящую из световых лучей уникального набора дождевых капель, которые расположены по дуге под углом 42° от тени головы этого наблюдателя (рис. 4b ) . . Друг, разделяющий опыт поблизости, на самом деле будет наслаждаться другой радугой. Более того, если в воде видно отражение радуги, отраженная радуга получает свет от другого набора дождевых капель, чем радуга, которую она отражает (рис. 7) .). Следовательно, отраженная в воде радуга на самом деле не является истинным отражением радуги наверху. Что еще более усложняет ситуацию, если солнечный свет отражается от поверхности озера или залива прямо за наблюдателем, в результате получается два набора радуг: один создается лучами солнца над горизонтом; и второй набор, образованный лучами, отраженными от поверхности неподвижного озера или залива ( рис. 8а ). В этом случае имеются две антисолнечные точки, одна ниже горизонта, а вторая над горизонтом, связанные с отраженным солнцем ( рис. 8б,в ).
На Гавайях радугу обычно можно увидеть в брызгах, поднимаемых сильным ветром, связанным с большими быстро движущимися гребнями волн, которые разбиваются о берег. Показатель преломления у соленой воды немного больше, чем у пресной; поэтому радиус радуги в соленой воде меньше, чем в пресной ( рис. 9 ).
У Декарта не было объяснения цветам радуги. Это понимание было сделано сэром Исааком Ньютоном, который показал, что белый свет может быть разделен на «спектр» цветов, термин, который он придумал. Из тщательных экспериментов с призмами он пришел к выводу, что свет — это частица, а разделение цветов — результат небольшого изменения показателя преломления для разных цветов света. Ньютон решил разделить видимый спектр на семь цветов 2 , руководствуясь верованиями древнегреческих софистов, которые считали, что существует связь между цветами, музыкальными нотами, известными объектами в Солнечной системе и днями недели. Этот несколько произвольный выбор, поскольку человеческий глаз может различать гораздо больше семи цветов, до сих пор отражается в том, как мы сегодня описываем цвета радуги.
Во времена Ньютона ученые спорили о том, является ли свет частицей или волной. Ни у Декарта, ни у Ньютона не было объяснения тусклым цветным дугам, иногда видимым внутри первичной дуги и, реже, видимым за пределами вторичной дуги. Эти слабые дуги называются сверхштатными дугами ( рис. 10а ) и являются результатом дифракции солнечного света ( Эйри, 1838 ; Фрейзер, 1983) .). Сверхштатные дуги вызвали большой ужас, потому что они не были предсказаны геометрической оптикой. Только в 1830-х годах такие ученые, как Томас Янг и Джордж Б. Эйри, показали, что нештатные дуги были следствием волновой природы света. Рассеяние света мелкими каплями дождя создает интерференционную картину, состоящую из серии максимумов и минимумов в зависимости от угла рассеяния ( рис. 10b ) ( Борен и Клотио, 2006 ). Маленькие сферические капли дождя одинакового размера дают наиболее когерентную дифракционную картину. Вот почему нештатные дуги чаще всего видны прямо под вершиной радуги, потому что капли дождя растут по мере падения и становятся менее сферическими по форме и менее однородными по размеру по мере приближения к поверхности.
После попытки Декарта в середине семнадцатого века было предпринято несколько все более изощренных математических трактовок радуги. Теория Лоренца-Ми, безусловно, является наиболее точным подходом, поскольку она учитывает такие оптические эффекты, как дисперсия, поляризация, интерференция и дифракция ( Лоренц, 1898 ; Ми, 1908 ; Дебай, 1908 ). За последние 20 лет многие новые и интригующие эффекты были впервые сфотографированы или задокументированы, например, радуги более высокого порядка (третичные, четвертичные и т. д.) и двойные радуги, а также радуги, создаваемые близлежащими искусственными источниками света. Эти наблюдения были вызваны растущим числом и возможностями цифровых камер. 3Чтобы обеспечить более полное объяснение множества наблюдений, в классическую теорию радуги необходимо включить естественные несферические (т. е. сплюснутые) формы дождевых капель, а также естественное неравномерное распределение дождевых капель. Предоставление примеров всех этих эффектов выходит за рамки этой статьи; тем не менее, Хаусманн (2016) представляет всесторонний обзор этих наблюдений и более поздних теорий и приложений физически обоснованных компьютерных моделей для моделирования радуги с несферическими каплями дождя ( Садеги и др., 2012 ).
Почему Гавайи — мировая столица радуги?
Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо понять процессы, которые варьируются от планетарной циркуляции Хэдли до микромасштабного образования дождевых капель, в дополнение к преобладающим орографическим воздействиям. В этом разделе эти процессы обсуждаются в контексте обстоятельств, необходимых для наблюдения радуги, в том числе яркого солнечного света (ка ла), способного освещать дождь (ка уа).
Гавайи расположены примерно на 20 ° северной широты в районе субтропиков, в котором преобладает ячейка Хэдли. Ячейка Хэдли приводит к оседанию и в целом чистому небу над Гавайями, а также к нашим преобладающим северо-восточным пассатам. Северо-восточный пассат наблюдается над Гавайями 9 дней из 10 летом и 6 из 10 зимой ( Шредер, 1993 ). Воздушный поток вокруг максимума в северной части Тихого океана ( рис. 11 ) забирает воздух с западного побережья и переносит его над Гавайями чуть более чем за неделю. Во время этого перехода морской пограничный слой постепенно углубляется в результате захвата или перемешивания наверху и нагревания снизу ( Krueger et al. 1995 ; Bretherton and Wyant 1997).). Низкие морские слои, распространенные вдоль западного побережья, постепенно сменяются конвекцией с закрытыми ячейками и, в конечном итоге, трансформируются в конвекцию с открытыми ячейками по мере прохождения воздуха из Калифорнии на Гавайи (Kodama and Businger 1998 ; Albrecht et al. 2019 ) ( рис. 11 ). Таким образом, пассатная погода на Гавайях характеризуется конвективными ливнями с ясным небом между ливнями. Как видно из рис. 11, расстояние между ливнями достаточно (~ 30–50 км), чтобы солнечный свет мог достигать дождя под ливнями, создавая оптимальные условия для наблюдения за радугой. Ночью теплая морская поверхность нагревает конвекцию снизу, а радиация охлаждает верхние слои облаков, что приводит к более сильным ливням утром, которые вызывают радугу к завтраку.
Решающим фактором в возникновении частых радуг является горный характер Гавайских островов. Без гор Гавайи были бы пустыней с скудным годовым количеством осадков около 430 мм (17 дюймов), по оценке данных TRMM над ближайшим океаном. Воздействие гор Кулау на острове Оаху на поток пассатов проявляется в резком градиенте облачности и количества осадков над островом ( рис. 12 ). Хотя каждый гавайский остров имеет уникальную топографию и сопутствующие орографические эффекты, в каждом случае горы создают резкие градиенты облаков и осадков ( Giambelluca et al. 2013 ), что является ключом к многочисленным наблюдениям за радугой. Гавайские горы обычно усиливают ливневую активность, но они также вызывают дождь во влажных потоках ( Robinson and Businger 2019 ;Хауз 2014 , глава 12).
В прохладное время года (ноябрь–март) горы будут поднимать стабильный влажный воздух вслед за слабыми холодными фронтами или линиями сдвига, создавая дождевую полосу над гребнем, а с подветренной стороны небо становится все более ясным. Солнце, проходящее под орографическими дождевыми облаками, создает идеальную конфигурацию для радуг, которые, по наблюдениям, длятся часами ( Robinson and Businger 2019 ) ( рис. 2 и 13a ). Поверхностные потоки явного и скрытого тепла в воздух над океаном, как правило, больше на холодной стороне фронта, чем на теплой, потому что разница температур воздуха и моря больше на холодной стороне (Businger and Reed 1989) .). В результате фронты имеют тенденцию рассеиваться и становиться мельче по мере приближения к Гавайям, что обычно приводит к уменьшению количества слоистообразных облаков, закрывающих солнце, в результате чего фронт выглядит как веревочное облако (рис. 13b ) . Погодный режим прохладного сезона, который приводит к усилению ливней, особенно над подветренными склонами Гавайских островов, называется кона- лоу ( Моррисон и Басингер, 2001 ). Низины Кона связаны с холодными впадинами наверху, и возникающие в результате грозы иногда могут становиться сильными ( Бузингер и др., 1998 ) ( рис. 13с ).
Третьим фактором, способствующим наблюдению за радугой, является дневной нагрев, который стимулирует циркуляцию в островном масштабе. Вулканы Мауи и острова Гавайи достаточно высоки, чтобы блокировать господствующие пассаты. Следовательно, на этих островах наиболее стабильны морские бризы и горно-долинные циркуляции ( Чен и Нэш, 1994 ). В периоды слабых ветров на всех Гавайских островах наблюдается циркуляция островного масштаба, обусловленная дневным прогревом ( рис. 14 ). В этих условиях во второй половине дня над гребнями хребтов над Оаху и Кауаи образуются ливни, что приводит к многочисленным радугам на закате ( рис. 14 ).
Четвертый фактор, который способствует многочисленным ярким радугам на Гавайях, - это роль аэрозолей в физике облаков и осадков. Гавайи известны как одна из самых отдаленных цепочек островов на Земле. Удаленность Гавайев означает, что воздух здесь исключительно чистый и не содержит загрязнений, континентальной пыли и пыльцы. Как следствие, аэрозоль рассеивает солнечный свет меньше, и солнечный свет содержит полный спектр цветов даже под малыми углами, когда солнце близко к закату. Более того, с меньшим количеством облачных ядер конденсации, соперничающих за водяной пар в облаке, в теплых облаках вокруг Гавайских островов меньше, но более крупные облачные капли ( Twomey 1974 ), которые более способствуют образованию дождя путем слияния.
Основным источником аэрозолей вблизи Гавайских островов является поверхность моря, где взаимодействие воздуха и моря и прибойные волны поднимают солевые аэрозоли в морской пограничный слой ( рис. 9 ) ( Porter and Clarke 1997 ). Небольшие сульфатные аэрозоли также возникают над океаном в результате преобразования природного газа в частицы. Солевые и сульфатные аэрозоли гигроскопичны и растворимы в воде, что способствует образованию капель облаков разного размера ( Хауз, 2014 г. , глава 3). Кроме того, недавние авиационные измерения неглубоких кучевых облаков, сделанные с помощью фазового доплеровского интерферометра, показывают, что унос, особенно вблизи верхней границы облаков, важен для инициирования слияния столкновений и выпадения теплых дождей ( Small and Chuang 2008).). Как следствие, на Гавайях даже небольшие кучевые облака могут вызывать и вызывают дождь ( рис. 15 ). Характерной чертой этих небольших дождевых облаков является то, что на подветренной стороне гор само облако рассеивается в результате орографически индуцированного опускания и адиабатического нагревания. Тем временем дождь продолжает падать на землю, оставляя дождь и радугу под голубым небом ( рис. 2 , 7 и 13а ).
Недавние усилия, направленные на картографирование потенциала радуги на североамериканском континенте (B. Brettschneider 2019, личное сообщение), показывают наибольший потенциал радуги на юго-западе Аляски с высоким потенциалом, простирающимся вдоль побережья Британской Колумбии, включая Вашингтон и Орегон к западу от Каскада. герб При создании карты Бреттшнайдер отметил, что ежечасные наблюдения метеостанции сообщали о наличии жидких осадков, а затем вычислил угол наклона солнца, чтобы увидеть, может ли над горизонтом появиться радуга (например, рис. 5) .). Гавайи не включены в его анализ. Ограничением подхода Бреттшнайдера является отсутствие ссылок на данные об облачности. Дожди в этих прибрежных районах, особенно в прохладное полугодие, когда угол наклона солнца может быть благоприятным, могут быть частыми. Однако дождь чаще всего связан с фронтальными системами, которые отбрасывают огромные пласты облаков, закрывающие зимнее солнце. В летние месяцы, когда вероятность солнечного света максимальна, частота осадков достигает минимума в Вашингтоне и Орегоне, потому что Тихоокеанский хребет высокого давления вызывает опускание на северо-западе Тихого океана. Более того, прохладная океанская вода, поднимающаяся вдоль западного побережья, поддерживает очень низкую температуру точки росы, что препятствует конвекции влаги.Масса 1982 г. ), погодные условия, не способствующие наблюдению за радугой.
Если вы выбрали аэропорт Гонолулу, относительно сухое место с подветренной стороны на острове Оаху, для проведения анализа Бреттшнайдера, резкий градиент облаков и осадков, связанный с крутыми горами Гавайев, не будет захвачен (рис. 12 ) . Будущим исследованиям предстоит провести количественную оценку этих мезомасштабных эффектов, возможно, со ссылкой на региональную численную модель высокого разрешения, спутниковые и радиолокационные данные. Фотографии радуги, размещенные в социальных сетях, можно собирать и обрабатывать, чтобы исключить фотографии радужной форели и т. д. Кроме того, вам потребуется способ контролировать количество пользователей цифровых камер на открытом воздухе в данном месте.
В погоне за радугой
Точно так же, как вы можете преследовать торнадо на Среднем Западе США, вы можете преследовать радугу на Гавайях. В обоих местах самой большой опасностью в погоне является возможность автомобильной аварии. Комбинируя метеоспутник и радар, охотник за радугой может определить вероятные места для наблюдения за радугой. Во время вождения нужно соблюдать большую осторожность, чтобы не слишком отвлекаться на небо. Помимо солнца и дождя, ключевым моментом является хорошее место для просмотра. Полезно знание местных мест с прекрасным видом на небо. На Гавайях живописные виды, пляжные парки и местные походы на шлаковые конусы, такие как Даймонд-Хед, дают особенно хорошие точки обзора, с которых можно увидеть радугу. Чтобы увидеть радугу на плоской поверхности, солнце должно находиться в пределах ∼38° от горизонта ( рис. 5).). Эта величина немного меньше угла 42° для высоты радуги над антисолнечной точкой. Однако поиск фотографий радуги в социальных сетях, которые ссылаются на местное время и, таким образом, на солнечный угол, показывает, что очень немногие радуги фотографируются, когда солнце находится выше 38° над горизонтом (Mora et al. 2021, рукопись, представленная Proc . (Национальная академия наук США ). Когда солнце находится очень близко к горизонту, препятствия (деревья, холмы, облака и т. д.) с большей вероятностью блокируют солнечные лучи.
Исключение из приведенного выше ограничения для угла наклона солнца возникает, когда охотник за радугой находится на вершине горного хребта или вершины, так что дождь продолжает падать ниже наблюдателя. Возможно, лучшая платформа для погони за радугой — это небольшой самолет или вертолет, в идеале оснащенный доступом к метеорологическому радару. 31 августа 2019 года преобладали типичные летние пассаты, и друг зафрахтовал вертолет и пригласил автора с собой, чтобы сфотографировать радугу с воздуха. Радар вертолета показал небольшое эхо в районе сужения воздуха с подветренной стороны острова Молокаи. Солнечный свет и дождь, видимые с воздуха, дают особую возможность запечатлеть радугу в виде полного круга ( рис. 16а).). Следующей остановкой были морские скалы на северной стороне Молокаи, где было больше дождей. Однако облака были слишком густыми, чтобы пропускать необходимый солнечный свет. Итак, мы направились обратно на запад к Оаху и столкнулись с линзообразным облаком над западной оконечностью Молокаи. Короткое время пребывания воздуха, проходящего через квазистационарное линзообразное облако, приводит к образованию очень однородных маленьких облачных капель ( Rangno 1986 ). В результате сложились идеальные условия для образования глории с сопутствующим облачным луком и сверхштатным луком ( рис. 16б).). И слава, и сверхштатный лук являются результатом рассеяния (отражения и преломления) солнечного света однородными облачными капельками. Что касается облачной дуги, спектральные цвета белого света имеют гораздо больший диапазон углов рассеяния Ми от маленьких однородных облачных капель, и в результате цвета перекрываются, и облачная дуга кажется белой (Ми, 1908; Борен и Клотио , 2006 ) .
Можно представить, что приложение для смартфона с доступом к данным доплеровского радара и геостационарным спутниковым данным с высоким разрешением может быть разработано для оповещения пользователей, когда условия поблизости становятся благоприятными для наблюдения за радугой, с указаниями к ближайшему месту для оптимального просмотра. Затем пользователи могли обмениваться фотографиями с другими пользователями, а машинное обучение могло применяться для улучшения взаимодействия с пользователем. Такое приложение под названием RainbowChase сейчас находится на стадии разработки.