Как появляется радуга: почему она дугой и почему цвета идут по порядку

Короткий ответ

Радуга — это солнечный свет, разложенный на цвета множеством дождевых капель. Солнечный свет кажется белым, но на самом деле он смешан из всех цветов. Когда луч попадает в дождевую каплю, он на границе воздуха и воды меняет направление: это называется преломлением. Разные цвета меняют направление немного по-разному, поэтому внутри капли белый свет расходится веером. Дальше он отражается от задней стенки капли и снова выходит наружу, снова преломляясь. К глазу попадает уже разложенный на цвета свет.

Одна капля даёт наблюдателю только один цвет: тот, что вышел под нужным углом. Но капель миллионы, и они висят на разных высотах. Одни отправляют вам красный, другие, лежащие ниже, — оранжевый, жёлтый и дальше по порядку. Так из отдельных цветных точек складывается полоса.

Почему свет раскладывается на цвета, и как связаны цвет и длина волны, показано на примере в статье о том, почему небо голубое.

Из чего складывается радуга

Чтобы радуга получилась, нужны три участника.

Участник	Условие	Что делает
Солнце	светит низко, из-за вашей спины	даёт белый свет, в котором есть все цвета
Капли воды	висят в воздухе, крупные, около миллиметра или мельче	преломляют, разлагают и отражают свет
Наблюдатель	стоит между Солнцем и дождём, спиной к Солнцу	получает свет, вышедший из капель под нужным углом

Капли должны быть достаточно крупными. В мелком тумане цвета почти не разделяются, и получается белая дуга, которую называют туманной радугой. Как рождаются сами капли и откуда берётся дождь, разобрано в статье о том, откуда берётся дождь.

Как это работает: путь луча внутри капли

1. Луч подходит к капле. Свет Солнца белый, в нём смешаны все цвета видимого спектра.
2. Преломление на входе. Луч попадает из воздуха в воду и меняет направление. Фиолетовый и синий свет отклоняются сильнее, красный меньше. Веер цветов начинает раскрываться.
3. Отражение от задней стенки. Дойдя до дальней стороны капли, свет отражается от неё, как от зеркала. Часть лучей уходит сквозь стенку, но нас интересует отражённая.
4. Преломление на выходе. Луч выходит из воды в воздух и снова меняет направление, и цвета расходятся ещё сильнее.
5. Выход к наблюдателю. Из капли лучи вылетают веером, но чаще всего — под определённым углом к направлению «от Солнца». Для красного он около 42 градусов, для фиолетового около 40.
6. Дуга. Эти углы одинаковы во все стороны от точки напротив Солнца. Значит, капли, посылающие вам красный, лежат на окружности, и вы видите дугу.

Путь лучей в капле в XVII веке рассчитал Рене Декарт: он показал, что радуга возникает именно под таким углом, а не под другими.

Почему цвета идут по порядку

Порядок цветов в радуге всегда один: сверху красный, дальше оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий и фиолетовый внизу. Красный лежит снаружи, потому что он выходит под большим углом, и капля, которая его посылает, находится выше в небе, чем капля, посылающая фиолетовый.

Слово «семь» здесь условность. На самом деле цвета переходят друг в друга плавно, и границ в спектре нет. Семь цветов выделил Исаак Ньютон, по аналогии с семью нотами. Запомнить порядок помогает фраза: «Каждый охотник желает знать, где сидит фазан».

Двойная радуга и другие странности

Иногда над первой, яркой радугой видна вторая, бледнее. Она получается, когда свет отражается внутри капли не один раз, а два. Вторая радуга расположена выше, под углом около 51 градуса, и цвета в ней идут в обратном порядке: красный внутри, фиолетовый снаружи.

Между двумя радугами небо выглядит темнее, чем вокруг. Эту тёмную полосу назвали полосой Александра, по имени древнегреческого философа Александра Афродисийского, который её описал. Она тёмная, потому что в этот промежуток свет от капель не попадает.

Иногда под первой радугой видны тонкие розовые и зелёные дуги, повторяющие её узор. Они возникают из-за того, что свет — это волна, и волны внутри капли накладываются друг на друга. Это не ошибка глаза: такие дуги называют дополнительными.

Что видно в разное время суток

Высота дуги зависит от высоты Солнца: верхняя точка радуги поднимается над горизонтом на 42 градуса минус высота Солнца. Утром и вечером Солнце низко, и радуга получается почти полукруглой и высокой. Ближе к полудню она сплющивается и прижимается к земле. Поэтому радугу чаще замечают на закате после летней грозы, когда дождь ещё виден вдали, а низкое Солнце уже пробилось из-под туч.

Чем отличается от похожего

Радуга и радужная плёнка на воде. Цвета бензина на луже и мыльных пузырей рождаются иначе: свет отражается от двух сторон тончайшей плёнки, и волны усиливают или гасят друг друга. Порядок цветов там другой, и дуги нет.

Радуга и гало. Кольца вокруг Солнца или Луны создают не капли, а ледяные кристаллы в высоких облаках. Кольцо гало ближе к светилу, чем радуга, и красный цвет у него внутри.

Радуга и призма. В стеклянной призме свет преломляется дважды, на входе и на выходе, и не отражается назад. Здесь работает тот же принцип разложения света, но радуга требует ещё и отражения внутри капли.

Интересные факты

У каждого своя радуга. Радуга не висит в небе как картина. Её создают именно те капли, которые лежат на правильном угле относительно ваших глаз. Человек рядом с вами смотрит на радугу, которую создают другие капли, пусть и почти те же. Сделайте несколько шагов, и радуга сдвинется вместе с вами, а дойти до её края не получится.

Радуга — полный круг. С земли мы видим только верхнюю часть окружности, потому что низ закрывает поверхность. Пассажиры самолёта, при удачных обстоятельствах, иногда видят цветное кольцо целиком, вокруг тени самолёта на облаках.

Радугу можно сделать самому. Встаньте спиной к Солнцу и направьте на распыление воды из шланга или фонтана. Радуга появится на фоне брызг. Чем ближе к горизонту Солнце, тем выше дуга: если оно выше 42 градусов, радуга уходит под горизонт, поэтому в тропиках она бывает редко в полдень.

Почему именно 42 градуса

Лучи входят в каплю на разном расстоянии от её центра и выходят под разными углами. Но у этих углов есть предел: как бы ни входил луч, красный свет после одного отражения не выйдет под углом больше 42 градусов к направлению от Солнца. Около этого предела лучи скапливаются, как машины перед светофором, и именно здесь свет собирается в яркий пучок. Всё остальное рассеивается слабо и в общей картине теряется. Поэтому яркая полоса возникает под вполне определённым углом, а не как попало.

Где встать, чтобы увидеть радугу

Условия простые: впереди идёт дождь или висят брызги, а сзади светит Солнце. Лучше всего утром или вечером, когда Солнце низко над горизонтом. Если подняться на холм или мост, дуга станет длиннее. При высоком Солнце в полдень она уходит под горизонт, и с земли её не увидеть.

Как показать радугу ребёнку

Опыт займёт пять минут. Поставьте стакан с водой на подоконник, куда падает прямое Солнце, а на пол положите лист белой бумаги. Свет, который прошёл через воду, преломится, и на бумаге появится цветная полоска. Похожую картину даёт старый компакт-диск, если наклонять его на свету, или радужные блики от хрустальной люстры. Всё это показывает, что белый свет составлен из цветов, а вода и стекло умеют его разделять. Капля дождя делает то же самое, только ещё и отражает лучи назад.