что такое радуга на небе
Радуга
Радуга на небе – красивое природное явление, знакомое с детства. Она встречается на страницах сказок и мифов, ее изучают на уроках физики в школе. Все ли мы знаем про радугу? Достаточно ли хорошо понимаем ее свойства и то, почему она разноцветная? Об этом и не только вы узнаете из данной статьи.
Что такое радуга
Радуга – это оптическое явление, вызванное взаимодействием солнечного света и капель воды в атмосфере. Она представляет собой светящуюся разноцветную дугу.
Увидеть ее можно при высокой влажности воздуха, обычно – сразу после дождя или во время него, при условии, что Солнце свободно проникает сквозь облака и находится за спиной наблюдателя.
История изучения
Людей давно интересовал вопрос, почему же появляется радуга. Мифология многих народов приписывает феномену сакральные свойства.
Первые попытки объяснить явление с точки зрения физики были сделаны еще древнегреческими философами.
На рубеже XIII–XIV веков богослов Теодорих из немецкого города Фрайберга провел опыты, используя в качестве моделей стеклянные шарики, наполненные водой. Данный метод получил распространение и в дальнейшем.
В начале XVII века описание радуги как физического явления дал в своем труде хорватский архиепископ и теолог Марк Антоний де Доминис. Проведя ряд опытов со стеклянными шарами, он также сделал вывод, что причиной феномена является преломление и отражение света в каплях влаги.
В XVII веке Рене Декарт путем исследований установил угол преломления лучей в капле относительно их изначального направления.
Исаак Ньютон, проведя оптические опыты с призмой, развил теории своих предшественников.
Он выделил семь основных цветов, от красного до фиолетового. Это крайние, видимые для человеческого глаза границы спектра, между ними по убыванию длины волны следуют оранжевый, желтый, зеленый, голубой и синий. Запомнить порядок цветов помогают первые буквы известной фразы: «Каждый охотник желает знать, где сидит фазан».
Как появляется
Причины возникновения радуги кроются в неоднородной природе света. Видимый нами белый свет состоит из волн различной длины, воспринимаемых глазом как разные цвета. При определенных условиях световой поток раскладывается на составляющие, так получается разноцветная дуга.
Ее образование связано с двумя оптическими явлениями:
Луч Солнца, сталкиваясь с дождевой каплей, меняет траекторию движения. Часть света отражается обратно, остальной свет проходит внутри капли, под углом к первоначальному лучу. При этом слабее всего отклоняются красные составляющие видимого спектра, у которых длина волны максимальная. А самый большой угол преломления получается у волн короткой длины – фиолетовых. Достигнув внутренней поверхности капли, свет отражается от нее и выходит обратно.
Таким образом, отражаясь от внутренней и внешней поверхности капли, луч преломляется и возвращается обратно под углом относительно исходного движения. В результате этих преломлений угол между крайними границами спектра максимально увеличивается, и к наблюдателю свет возвращается в виде разноцветной полосы. Такая радуга называется первичной, и красный цвет располагается на внешней стороне ее дуги, а фиолетовый – снизу.
Виды радуги
Ученые выделяют разные виды радуги в зависимости от размера капель, интенсивности света и высоты Солнца над поверхностью земли.
Иногда можно наблюдать вторую радугу, меньшей яркости, вокруг первой:
Это происходит, когда солнечные лучи отражаются внутри капли дважды, прежде чем выйдут на поверхность. Интенсивность светового потока ослабевает, а разноцветная полоса выходит «перевернутой» – вверху оказывается фиолетовый цвет. В результате на небе появляется двойная радуга. Небесный сектор между двумя дугами обычно имеет более темный оттенок, чем за их пределами. Этот участок называют полосой Александра, по имени философа Древней Греции Александра Афродисийского, впервые описавшего данный эффект во II веке н. э.
Гораздо реже встречается в природе тройная радуга:
Это возможно при трехкратном отражении лучей внутри капель. При этом образуется дуга третьего порядка, более слабая, чем предыдущие две.
Солнечный луч, проходящий сквозь крупные капли, ослабевает и создает более рассеянный спектр. Цвет и яркость Солнца меняются на рассвете и закате. Закатный свет преодолевает максимальное расстояние до глаз наблюдателя, что доступно длинноволновому участку спектра. Поэтому встречается красная радуга – с преобладанием красных и оранжевых полос:
И если дождь, радуга и Солнце – это привычное сочетание, наблюдаемое чаще всего, то при отсутствии Солнца или дождя атмосферное явление может принимать самые необычные формы.
Необычные виды
К необычным и редким видам радуги относятся:
Лунная радуга, иначе называемая ночной, встречается в природе гораздо реже, чем привычная дневная. Она возникает на полной фазе Луны во влажном воздухе. Луна должна находиться в ясном небе на высоте менее 42° над горизонтом, а наблюдатель – между Луной и дождем. Известны подобные явления над водопадами:
Рецепторы человеческого глаза, различающие цвета, неактивны при слабом освещении. Поэтому ночная радуга воспринимается зрением как белая, в отличие от разноцветной дневной. Однако увидеть весь спектр можно на снимке с длительной экспозицией.
Для появления туманной радуги вместо дождя и Солнца требуется сочетание тумана с солнечным или лунным светом. Поскольку капли влаги в данном случае очень малы (их радиус не больше 0,05 мм), свет в них не всегда может рассеяться в виде спектра. Такое явление выглядит как ореол белого цвета, именно поэтому явление иногда называют белой радугой. При этом внешние контуры дуги могут быть окрашены в фиолетовый и оранжевый цвета:
К наиболее редким погодным феноменам относится огненная радуга. Она выглядит как горизонтальная дуга на фоне легких перистых облаков. Именно поэтому ее также называют радуга с облаками. Благодаря огромному радиусу линия дуги кажется прямой, простираясь параллельно горизонту на сотни километров:
Для ее появления необходимы три фактора:
Кристаллы льда должны лечь горизонтально в воздухе, что случается довольно редко. Лучи Солнца проникают сквозь боковые стенки кристаллов и, преломляясь, выходят через нижнюю горизонтальную грань. Облака в лучах спектра вспыхивают радужным светом.
Огненная радуга считается одной из разновидностей гало.
Схожие явления
При низких температурах воздуха можно увидеть похожие атмосферные явления:
Морозной зимой иногда возникает светящийся ореол вокруг Солнца и Луны. Этот эффект называется гало. Он проявляется возле сильных источников света (иногда вокруг уличных фонарей) и вызван прохождением света сквозь ледяные кристаллы в нижних слоях атмосферы. От формы кристаллов и их расположения зависит вид данного явления. Иногда свет, преломляясь, раскладывается в спектр, и тогда гало становится похожим на кольцевую радугу:
Перевернутая радуга появляется при высоких перистых облаках, состоящих из кристалликов льда, когда Солнце светит на них снизу. Образуется выгнутая вниз дуга, где нижний край – красный, а верхний – фиолетовый:
Интересные факты
Радуга – это лишь оптический эффект, объяснение которому дает наука. Она не находится в конкретном месте и к ней, как и к линии горизонта, нельзя подойти. То, что видит каждый из нас, зависит от места наблюдения и нашего положения относительно Солнца или другого источника света.
В какое время года бывает радуга? Практически в любое. Просто зимой влагу заменяют кристаллы льда. Поэтому наблюдать это чудо природы можно всегда, когда есть сильный источник света и погодные условия для его превращения в спектр.
Почему появляется радуга?
В далекие времена из-за отсутствия знаний люди объясняли чудеса и красоты природы при помощи мифов и сказок. Тогда у людей не было возможности изучать научные обоснования того, почему пошел дождь, град или прогремел гром. Аналогичным образом люди описывали все неизвестное и далекое, возникновение радуги на небе не исключение. В Древней Индии радуга была луком бога-громовержца Индры, в Древней Греции существовала девственная богиня Ирида с радужным одеянием. Чтобы правильно ответить ребенку, как возникает радуга, для начала следует самому разобраться в этом вопросе.
Научное объяснение радуги
Чаще всего явление возникает во время небольшого мелкого дождя или сразу после его окончания. После него, на небе остаются мельчайшие сгустки тумана. Именно когда тучи рассеиваются и выходит солнце, каждый желающий может наблюдать своими глазами радугу. Если она возникает во время дождя, тогда цветная дуга состоит из мельчайших капель воды разного размера. Под воздействием преломления света, множество мелких водных частиц образуют это явление. Если наблюдать за радугой из высоты птичьего полета, то цветным окажется не дуга, а целый круг.
В физике существует такое понятие как «дисперсия света», название ему дал еще Ньютон. Дисперсия света – это явление, в процессе которого происходит разложения света в спектр. Благодаря нему обычный белый поток света разлагается на несколько цветов воспринимаемых человеческим глазом:
В понимании человеческого зрения, цветов у радуги всегда семь и каждый из них располагается в определенной последовательности. Однако цвета радуги идут непрерывно, они плавно соединяются между собой, а значит, она имеет намного больше оттенков, чем мы способны увидеть.
Условия для возникновения радуги
Чтобы увидеть радугу на улице должны быть соблюдены два главных условия:
Разноцветная дуга появляется не только после или во время дождя, а также:
Если лучи света отражаются от капли одновременно несколько раз, человеку удается увидеть двойную радугу. Она заметна намного реже обычной, вторая радуга заметна намного хуже первой и ее цвет идет в зеркальном отражении, т.е. заканчивается фиолетовым цветом.
Как самому сделать радугу
Чтобы самому сделать радугу человеку понадобиться:
Эксперимент проводится в солнечную погоду. Для этого в обычную миску с водой опускается зеркальце. Миска располагается так, чтобы солнечный свет попадающий на зеркальце отражался на листе картона. Для этого некоторое время придется менять угол наклона предметов. Поймав наклон можно наслаждаться радугой.
Радуга с точки зрения физики
Простое и наглядное объяснение природного оптического феномена
Радуга похожа на настоящую магию. Она такая красивая и волшебная в небе после дождя, когда выглядывает солнце, что заставляет нас чувствовать себя счастливыми, не так ли?
Но, как происходит это магическое волшебство? Как в небе появляются эти разноцветные дуги? Давайте разберемся.
Начнем с основ физики. Белый солнечный свет состоит из множества различных световых волн разной длины. В зависимости от длины волны он воспринимается нашим глазом как определенный цвет — от красного (самые длинные волны) до фиолетового (самые короткие). При смешении все эти цвета и дают видимый белый свет.
Принято выделять семь основных цветов, которые мы называем цветами радуги: красный, оранжевый, желтый зеленый, голубой, синий и фиолетовый. Эти цвета легко запоминаются по первым буквам известной всем из детства фразы:
Кроме того, в белом солнечном свете присутствуют волны, которые наш глаз не видит — ультрафиолетовые (короче фиолетовых) и инфракрасные (длиннее красных). Первые известны тем, что вызывают загар на нашем теле, а вторые — это тепловое излечение или попросту тепло, которое мы чувствуем, когда солнечные лучи падают на наше лицо и тело.
Проходя через границу неоднородных сред (например воздуха и воды или воздуха и стекла) белый свет преломляется и разлагается на отдельные цвета, которые мы называем спектром. Чтобы увидеть цвета спектра, можно использовать трехгранную призму, которая преломляя солнечный свет, выделяет из него все цветовые составляющие.
Эффект разложения белого света на цветные составляющие (спектр) называется дисперсией. Именно из-за преломления света бриллианты играют цветными огнями.
Но, вернемся к нашей радуге. Цвета спектра и есть цвета радуги. Как же происходит дисперсия солнечного света, порождающая радугу?
Когда солнечный свет сталкивается с каплей дождя, часть света от неё отражается, а остальная часть попадает во внутрь капли. Луч света преломляется на ближайшей к нему поверхности капли дождя, потом этот свет попадает на дальнюю поверхность капли и отражается от неё. Когда этот внутренне отраженный свет вновь достигает поверхности капли, он снова преломляется при выходе. Вот как это выглядит на схеме:
Как видим, часть падающего на каплю солнечного света отражается обратно под некоторым углом. Этот угол не зависит от размера капли, но зависит от показателя преломления воды капли. Для дождевой воды показатель преломления равен 1,333, поэтому угол отражения получается около 42°. А морская вода имеет более высокий показатель преломления, чем дождевая, поэтому угловой радиус радужной дуги в морских брызгах меньше, чем у дождевой.
Фактически, угол отражения света в капле — это угол между солнцем, каплей дождя и глазом наблюдателя. Однако, поскольку дождевых капель много, лучи преломленного и отраженного света от разных капель образуют конус с вершиной в зрачке глаза наблюдателя и осью, проходящей через наблюдателя и солнце. Окружность в основании этого конуса и будет радугой. Но, поскольку наблюдатель находится на поверхности земли, он видит только часть окружности — дугу. Из этого также следует, что для образования радуги само солнце должно находиться не выше 42° над горизонтом. Вот почему радугу невозможно увидеть в летний полдень, когда солнце высоко в зените. Вообще, чем ниже над горизонтом находится солнце, тем большей будет дуга радуги.
Если же наблюдателя поднять над землей, например на воздушном шаре или самолете, то при определённых обстоятельствах он сможет увидеть радугу в форме полной окружности.
Сама радуга не находится в одном конкретном месте. Существует множество радуг, однако, только одну из них может видеть наблюдатель в зависимости от местоположения его и солнца.
Все капли дождя преломляются и отражают солнечный свет одинаковым образом, но только свет от некоторых капель дождя достигает глаза наблюдателя. Этот свет и есть радуга для этого наблюдателя.
Поэтому легенда о том, что в месте, где радужная дуга касается поверхности земли скрыт золотой клад гномов, лишена смысла.
Вернемся к схеме преломления солнечного света. На картинке с призмой видно, что фиолетовый и синий свет (короткие волны) преломляются под б ольшим углом, чем красный свет, но за счет отражения световых лучей от задней поверхности капли воды, фиолетовые и синие лучи выходят из капли под меньшим углом к входящему лучу солнечного света, чем лучи красного света. Из-за этого синий цвет виден на внутренней стороне дуги радуги, а красный — снаружи.
Но, бывают двойные радуги у которых порядок цветов второй, наружной дуги обратный. Эта вторая дуга образована лучами двойного преломления солнечного света в каплях воды. Поэтому наружная радуга всегда бледнее основной внутренней.
Схема поясняет, как образуется двойная радуга.
Угловой радиус вторичной радуги — 50–53°. Небо между двумя радугами обычно заметно более тёмное, эту область называют полосой Александра.
Радуга: что это такое, какая бывает и откуда берется?
Много тысячелетий люди гадали над причиной этого явления. Не найдя разумного объяснения цветным дугам на небе, наши предки связывали их с бесчисленным множеством поверий и легенд.
Кто не знает легенду, согласно которой в начале радуги непременно зарыт горшочек с золотом, который охраняет сказочный лепрекон? Однако в наше время все люди знают, что у появления радуги на небе есть научное объяснение. Итак, что же такое радуга? Какая она бывает, почему появляется и почему радуга разноцветная?
Откуда берется радуга?
Радуга — это достаточно частое природное явление, основанное на подсвечивании солнечным светом (или иным источником) большого количества водяных капель. Для возникновения радуги необходимы 2 компонента — свет и вода. Когда солнечный свет или иной источник проходит через маленькие капли воды, находящиеся в воздухе — возникает радуга.
Радуга также способна появляться на берегу водоёмов. Это происходит, когда солнечные лучи отражаются от водной поверхности. Радугу можно часто наблюдать после дождя или тумана.
У фонтана ее заметить легче всего, стоит лишь покрутиться немного, обойти фонтан и найти нужный ракурс. Любые рассеивающие источники воды, такие как поливальная машина или обычный шланг, способны вызвать радугу.
Почему появляется радуга и почему она разноцветная?
На самом деле солнечный свет не желтый, как мы привыкли думать. Солнечные лучи – это целая смесь цветов. Кроме того, лучи умеют сгибаться и преломляться, как вам наверное уже известно из школьного курса физики. Просто наши глаза не умеют преломлять цвета так, как это умеет делать призма.
При прохождении лучей через стеклянную призму солнечный свет разлагается на составные цвета. Кроме того, часть лучей преломляются сильнее, а другие слабее. В данном случае роль призмы выполняют воздух и вода.
Воздушно-водяная призма формирует радугу
7 цветов радуги
Свет, который выходит из призмы, формируется в изогнутую полосу различных цветов. Цвета идут в ней последовательно: начиная от красного, который преломляется меньше всего, заканчивая фиолетовым, который обладает наиболее сильной способностью к преломлению. Есть небольшой стишок — присказка, так называемая мнемоническая фраза, которая помогает запомнить порядок цветов в радуге:
К аждый О хотник Ж елает З нать Г де С идит Ф азан. Здесь К-красный, О-оранжевый, Ж-желтый, З-зеленый, Г-голубой, С-синий и Ф-фиолетовый
Таким образом, мы видим что в радуге есть 7 цветов. Почему мы видим радугу в форме дуги? Просто мы видим не всю радугу, а лишь ее часть. Немногие знают, что на самом деле это природное явление имеет форму окружности. Для того, чтобы увидеть круглую радугу, нужно подняться на большую высоту, например, на вершину горы или на последний этаж небоскрёба.
Вторичная радуга
Также в некоторых случаях можно увидеть сразу 2 радуги. Вторая менее яркая и находится вокруг основной. Такую радугу называют вторичной. Она возникает, когда солнечный свет отражается в каплях не один, а два раза.
Эта радуга во всех смыслах слабее чем основная, и всегда исчезает на несколько минут раньше. Она состоит из тех же цветов, что и основная, только они идут в обратном порядке.
Какая бывает радуга?
Итак, помимо обычной радуги бывает ещё несколько ее видов, причем они считаются довольно редкими и далеко не всем удается хотя бы раз в жизни их понаблюдать.
1. Перевёрнутая радуга
Перевёрнутая (околозенитная) радуга — одно из редчайших природных явлений. Для того, чтобы появилась перевёрнутая радуга, должно быть соблюдено три условия. Первое — на небе должны быть перистые облака (тонкие, нитеобразные полоски). Ну это не сложно, перистые облака мы наблюдаем довольно часто.
Перевернутая радуга
Второе условие — эти перистые облака должны содержать горизонтальные кристаллы льда. А вот это уже сложнее, такие кристаллы льда могут появляться лишь в зимнее время года после снегопада.
Третье условие — солнце должно находиться в зените (параллельно горизонту). Если эти три условия будут соблюдены — вашему взору предстанет редкая перевернутая радуга.
2. Лунная радуга
Эта радуга возникает ночью. В отличие от обычной, которая появляется благодаря солнцу, эту радугу создаёт лунный свет. Этот вид радуги возникает исключительно в полнолуние после ливня. Лунная радуга в несколько раз больше обычной, она занимает половину небосвода.
3. Огненная радуга
Если человек в первый раз увидит это удивительное явление, то не сразу поймёт, что перед ним радуга. Огненная радуга куда больше похожа на разноцветное северное сияние, чем на классическую радугу. Для появления этого необыкновенного атмосферного явления необходимы строгие условия:
Солнце должно находиться ровно на 58 градусах относительно горизонта, на небе должны быть перистые облака, содержащие шестиугольные кристаллы льда. Последнее и самое главное условие — грани всех кристаллов льда должны располагаться строго параллельно земле.
Огненная радуга – самый редкий вид радуги, за последние 20 лет в мире она появлялась всего 6 раз.
4. Белая радуга
Белая радуга
Этот вид радуги имеет мало общего с обычной. Она возникает, когда солнечные лучи проходят сквозь туман. Также иногда белая радуга возникает ночью, когда сквозь туман проходит лунный свет. Белая радуга представляет собой едва заметную белую дугу.
5. Зимняя радуга
Такая радуга возникает зимой, когда солнце отражается от снега и проходит сквозь частицы льда в воздухе. Эта радуга довольно необычна, так как она может иметь как форму угла, так и форму прямой линии, расположенной перпендикулярно к земле.
Кто первым определил, что такое радуга?
До сих пор точно нельзя сказать, кто первым смог найти объяснение радуге. Считается, что это сделал Рене Декарт, французский писатель и философ. Он поднимал вопрос возникновения различных природных явлений, в том числе и радуги в своей знаменитой книги «Рассуждение о методе», выпущенной в 1637 году.
Предполагается, что Декарт с помощью стеклянного шара с водой внутри, (который служил имитацией капли воды), обнаружил, что солнечные лучи преломляются и образуют радугу. Это произвело настоящий фурор в мире учёных.
Однако это лишь предположение. Ведь за 16 лет до открытия, которое совершил Декарт, другой известный голландский астроном и математик Виллеброрд Снелл открыл тот же закон о преломлении света. Снелл написал диссертацию по этой теме, однако из-за болезни не смог поделиться ей с научным сообществом, и вскоре скончался.
Диссертация Снелла была найдена лишь через 80 лет после его гибели. В этот момент разразился настоящий скандал. Английские учёные обвиняли Рене Декарта в том, что он каким-то образом получил доступ к материалу Снелла и выдал его за свой. Французские учёные в свою очередь утверждали, что Снелл никогда не писал никакой диссертации, и её просто подкинули в его вещи англичане.
Этот спор длился не один год и в конечном итоге закон о преломлении света в одной половине европейских стран был назван законом Снелла, а в другой половине законом Декарта. Таким образом, до сих пор полмира считает, что объяснение радуге нашёл Виллеброрд Снелл, а другая половина верна Рене Декарту.
Ну а кто прав в своих суждениях, мы, увы, никогда уже не узнаем.