Как появляется радуга и почему в ней разные цвета

После дождя над полем словно возникает цветной мост. Он кажется огромным предметом, который соединяет две точки на горизонте, но приблизиться к его основанию невозможно: при движении наблюдателя меняются капли, посылающие ему свет. Радуга существует как видимая картина, а не как неподвижная полоса в определённом месте. Чтобы понять этот небесный рисунок, достаточно проследить путь луча через одну каплю — и затем представить множество таких капель перед собой.

1Что происходит со светом в капле

Солнечный свет выглядит почти белым, хотя содержит излучение разных видимых длин волн. Когда луч переходит из воздуха в воду, его направление обычно меняется. Это преломление: в разных средах свет распространяется с разной скоростью. Передняя поверхность дождевой капли работает как маленькая изогнутая граница между двумя прозрачными веществами.

Внутри капли часть света достигает задней поверхности и отражается от неё. Затем свет снова проходит через воду и выходит в воздух, ещё раз преломляясь. Для основной радуги существенен путь с одним внутренним отражением. Огромное количество лучей проходит по другим траекториям, но не все они одинаково участвуют в яркой дуге.^[1]

Капля при этом не раскрашивается и не хранит цвет внутри. Она направляет свет определённым образом. Если солнечный луч исчезает за плотной тучей, исчезает и радуга, даже когда дождь продолжается. Поэтому соседство освещённого пространства и дождевой завесы гораздо важнее, чем сам факт недавнего ливня.

2Почему появляются цветные полосы

Вода преломляет видимый свет неодинаково: направление луча зависит от его длины волны. Это свойство называют дисперсией. Свет, соответствующий фиолетовому цвету, отклоняется иначе, чем красный. После входа в каплю, отражения и выхода различие становится заметным как разделение цветов.

В основной радуге красный край находится снаружи дуги, а фиолетовый — внутри. Между ними располагаются переходы через оранжевый, жёлтый, зелёный и синие оттенки. Привычное перечисление семи цветов удобно для описания, но в природе нет семи строго отделённых дорожек: спектр меняется плавно.^[2]

Глаз выделяет в этом непрерывном переходе знакомые названия цветов. Границы зависят от языка, восприятия и условий освещения. Поэтому рисунок с одинаково широкими и резко очерченными полосами помогает запомнить порядок, но упрощает настоящий вид радуги.

Цветное небо бывает и без дождевой дуги. В статье Почему небо голубое, а закат красный рассмотрен другой механизм — рассеяние света в атмосфере. Для радуги решающими становятся преломление и отражение в каплях. Эти явления могут присутствовать в одном пейзаже, создавая особенно сложную палитру после ливня.

3Откуда берётся форма дуги

Может показаться, что один красный луч приходит из самой верхней капли, зелёный — из соседней, а фиолетовый — из нижней. В действительности каждая освещённая капля направляет разные цвета по разным направлениям. Наблюдателю из конкретной капли достаётся лишь свет, подходящий к его глазам под нужным углом.

Совокупность подходящих направлений образует конус вокруг линии, направленной от Солнца через наблюдателя. Вершина этого мысленного конуса находится у глаза. На дождевой завесе ему соответствует окружность. Для основной радуги красный край лежит примерно в 42 градусах от противосолнечной точки — точки неба, противоположной Солнцу.^[3]

Таким образом, форму задаёт не расположение дождя по дуге. Капли могут заполнять большую область, но яркий свет к наблюдателю приходит из определённых направлений. Горизонт и поверхность земли обычно скрывают нижнюю часть окружности, поэтому с равнины видна арка.

4Как положение Солнца меняет картину

Для обычной солнечной радуги источник света находится позади наблюдателя, а капли — впереди. Дождь может идти над далёкими деревьями, тогда как место наблюдения уже освещено. Такая пространственная комбинация объясняет, почему дуга часто появляется у края уходящей дождевой полосы.

Чем ниже Солнце, тем выше над горизонтом находится противосолнечная точка относительно положения, которое она занимала бы при высоком Солнце, и тем большая часть дуги видна над землёй. Когда Солнце высоко, основная окружность может почти целиком оказаться ниже горизонта. Это геометрическое ограничение, а не отсутствие подходящих капель.

Высота Солнца меняется в течение суток и года. Связь годового хода освещения с наклоном земной оси объясняет статья Почему меняются времена года. Для радуги важен именно угол освещения в момент наблюдения; название сезона само по себе её форму не определяет.

5Почему бывает двойная радуга

Над основной дугой иногда видна ещё одна, более широкая и менее яркая. Свет, создающий её, дважды отражается внутри капли перед выходом. Дополнительное отражение меняет геометрию лучей: у вторичной радуги красный цвет находится на внутреннем краю, а фиолетовый — на наружном. Часть света теряется на каждом переходе через поверхность капли, поэтому вторая дуга обычно слабее первой.^[4]

Пространство между дугами нередко кажется темнее соседнего неба. В эту область приходит меньше света по траекториям, формирующим основные радуги. Такой участок известен как тёмная полоса Александра. Это различие освещённости, а не отдельная туча, вставшая ровно между цветными арками.

Условия наблюдения могут скрыть часть картины. Светлое небо уменьшает контраст; неоднородный дождь оставляет только фрагменты дуги. На фотографии насыщенность зависит также от экспозиции и обработки. Статья Как работает цифровая камера объясняет, почему изображение на экране не всегда совпадает с впечатлением глаза.

6Когда видна целая окружность

Полная радуга возможна, если капли занимают нужные направления и ниже наблюдателя, а обзор не перекрыт землёй. С большой высоты иногда виден почти замкнутый цветной круг. Его центр по-прежнему связан с противосолнечным направлением: необычная форма не требует нового оптического механизма.

Даже у водяной пыли возле водопада может появляться часть радуги. Размер видимой арки зависит от освещённой области и точки наблюдения. Это помогает отделить сущность явления от привычной сцены: важны свет, капли и геометрия, а не обязательное наличие большого дождевого облака.

Радуга особенно наглядна потому, что соединяет микроскопический и огромный масштабы. Путь света складывается внутри маленьких капель, а итоговый рисунок занимает значительную часть неба. Цветной мост оказывается точным проявлением законов оптики в повседневном пейзаже.

7См. также

• Почему небо голубое, а закат красный
• Как работает цифровая камера