После дождя на небе иногда появляется яркая цветная дуга, которая словно соединяет две точки на горизонте. Но привычная форма радуги обманчива: с точки зрения геометрии это часть окружности. Полный круг обычно скрыт от наблюдателя земной поверхностью. Почему так происходит, объясняют особенности прохождения солнечного света через капли воды и положение человека относительно Солнца.
Как солнечный свет превращается в цветную полосу
Белый солнечный свет содержит множество длин волн видимого диапазона. Когда луч входит в каплю дождя, его направление меняется: это явление называют преломлением. Внутри капли часть света отражается от задней поверхности, а при выходе снова преломляется. Разные длины волн отклоняются неодинаково, поэтому наблюдатель видит отдельные цвета вместо белого света.
Капля не раскрашивает луч и не создаёт новые цвета. Она лишь направляет к глазу разные составляющие солнечного света под немного различающимися углами. В обычной первичной радуге красная часть находится снаружи дуги, а фиолетовая — ближе к её внутреннему краю. Между ними существует непрерывный переход оттенков, хотя в школьных описаниях принято выделять семь цветов.
Почему радуга имеет форму окружности
Чтобы свет от определённой капли попал в глаз, Солнце, капля и наблюдатель должны находиться в подходящем взаимном положении. Для красной части обычной радуги угол между направлением на каплю и направлением строго от Солнца составляет около 42 градусов. Все капли, от которых приходит такой свет, располагаются для наблюдателя на поверхности воображаемого конуса. Его круговое сечение и создаёт форму радуги.
Центр этой окружности находится в направлении, противоположном Солнцу. Его называют антисолнечной точкой. Если Солнце за спиной человека, то центр радуги лежит примерно по направлению тени его головы, продолженному вдаль. Каждая капля в видимой дуге отправляет к наблюдателю свет под нужным углом. При движении человека меняется набор капель, формирующих изображение.
Почему с земли видна дуга, а не весь круг
Чаще всего нижняя часть воображаемой окружности оказывается ниже горизонта. Земля закрывает эту область, а капель дождя на нужной линии зрения может просто не быть. Поэтому с обычной дороги или из окна дома мы видим только верхнюю часть радуги. Когда Солнце находится низко, особенно ближе к восходу или закату, над горизонтом может появиться почти полукруг.
По мере подъёма Солнца антисолнечная точка опускается всё ниже, а видимая часть цветной окружности уменьшается. Если Солнце поднялось достаточно высоко, обычная первичная радуга над ровным горизонтом может стать совсем невидимой. Именно поэтому для наблюдения часто удобнее время, когда Солнце невысоко и освещённые капли находятся перед человеком.
С борта самолёта, высокого здания или горы условия бывают другими. Если ниже уровня глаз тоже находятся освещённые дождевые капли, можно увидеть более длинную дугу, а иногда и полный цветной круг. Такие наблюдения описывают Национальное управление океанических и атмосферных исследований США и Всемирная метеорологическая организация.
Почему у двух людей радуга не совсем одинаковая
Радуга не закреплена на конкретном облаке и не имеет доступного для посещения «конца». Её положение определяется направлением солнечных лучей и местом, откуда на капли смотрит человек. Стоит наблюдателю сделать несколько шагов, и свет к его глазам будет приходить уже от немного другого набора капель. Поэтому два человека, стоящие рядом, наблюдают близкие, но не буквально одну и ту же оптическую картину.
Для появления радуги Солнце должно находиться за спиной, а перед наблюдателем — освещённые капли воды. Они могут возникать не только во время дождя: подходящую водяную взвесь создают брызги водопада или фонтана. Важно, чтобы капли получали солнечный свет и одновременно находились в нужном направлении от глаз человека.
Откуда берётся вторая радуга
Иногда над основной дугой заметна ещё одна, более слабая. Она появляется, когда свет дважды отражается внутри капли, прежде чем выйти наружу. Из-за другой геометрии путь луча меняется, и цвета вторичной радуги располагаются в обратном порядке. Между двумя дугами небо нередко выглядит темнее. Это не отдельный слой облаков, а результат распределения света, который попадает к наблюдателю.
Таким образом, дуга — лишь видимая с земли часть круговой оптической картины. Её размер на небе связан с углами прохождения света через капли, а протяжённость зависит от высоты Солнца, горизонта и положения наблюдателя. При подходящих условиях полную окружность можно увидеть без каких-либо специальных приборов.