Все про радугу как физическое явление
Радуга – одно из тех необычных оптических явлений, которыми природа порой радует человека. С давних пор люди пытались объяснить возникновение радуги. Наука в значительной мере приблизилась к пониманию процесса возникновения явления, когда в середине XVII века чешский ученый Марк Марци обнаружил, что световой луч неоднороден по своей структуре. Несколько позже Исаак Ньютон изучил и объяснил явление дисперсии световых волн. Как теперь известно, световой луч преломляется на границе двух прозрачных сред, имеющих различную плотность.
Как установил Ньютон, белый световой луч получается в результате взаимодействия лучей разного цвета: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего, фиолетового. Каждый цвет характеризуется определенной длиной волны и частотой колебаний. На границе прозрачных сред скорость и длина световых волн изменяются, частота колебаний остается прежней. Каждый цвет имеет свой собственный коэффициент преломления. Меньше всего от прежнего направления откланяется луч красного цвета, чуть больше оранжевый, затем желтый и т.д. Наибольший коэффициент преломления имеет фиолетовый луч. Если на пути светового луча установить стеклянную призму, то он не только отклонится, но и распадется на несколько лучей разного цвета.
А теперь о радуге. В природе роль стеклянной призмы выполняют дождевые капли, с которыми сталкиваются солнечные лучи при прохождении через атмосферу. Поскольку плотность воды больше плотности воздуха, световой луч на границе двух сред преломляется и разлагается на составляющие. Далее цветовые лучи движутся уже внутри капли до столкновения с ее противоположной стенкой, которая также является границей двух сред, и, к тому же, обладает зеркальными свойствами. Большая часть светового потока после вторичного преломления будет продолжать движение в воздушной среде за каплями дождя. Некоторая же его часть отразится от задней стенки капли и выйдет в воздушную среду после вторичного преломления на передней ее поверхности.
Процесс этот происходит сразу во множестве капель. Чтобы увидеть радугу, наблюдатель должен стоять спиной к Солнцу и лицом к стене дождя.Спектральные лучи выходят из дождевых капель под разными углами. От каждой капли в глаз наблюдателя попадает только один луч. Лучи, выходящие из соседних капель сливаются, образуя цветную дугу.Таким образом, от самых верхних капель в глаз наблюдателя попадают лучи красного цвета, от тех, что ниже – оранжевого и т.д. Сильнее всего откланяются фиолетовые лучи. Фиолетовая полоска будет нижней. Радугу в форме полукруга можно видеть, когда Солнце находится под углом не более чем 42° относительно горизонта. Чем выше поднимается Солнце, тем меньше размеры радуги.
Вообще-то, описанный процесс несколько сложнее. Световой луч внутри капли отражается многократно. При этом может наблюдаться не одна цветовая дуга, а две – радуга первого и второго порядка. Внешняя дуга радуги первого порядка окрашена в красный цвет, внутренняя – в фиолетовый. У радуги второго порядка наоборот. Выглядит она обычно на много бледнее первой, поскольку при многократных отражениях интенсивность светового потока уменьшается.
Значительно реже в небе могут наблюдаться три, четыре и даже пять цветных дуг одновременно. Подобное наблюдали, например, жители Ленинграда в сентябре 1948 года. Это объясняется тем, что радуга может возникать также и в отраженных солнечных лучах. Такие многократные цветовые дуги могут наблюдаться над обширной водной поверхностью. При этом отраженные лучи идут снизу вверх, и радуга может быть «перевернута вверх ногами».
Ширина и яркость цветовых полос зависят от размеров капель и от их количества. Капли диаметром порядка 1мм дают широкие и яркие фиолетовую и зеленую полосы. Чем мельче капли, тем слабее выделяетсякрасная полоса. Капли диаметром порядка 0,1мм вообще не дают красной полосы. Капельки водяного пара, образующие туман и облака, радугу не образуют.
Увидеть радугу можно не только днем. Ночная радуга - довольно редкое явление, возникающее после ночного дождя в стороне, противоположной Луне. Интенсивность цвета ночной радуги значительно слабее дневной.
