Райдуга

Радуга виникає тоді, коли в повітрі багато маленьких водяних краплинок.

Наукою встановлено, що білий сонячний промінь можна розкласти за допомогою призми на сніп різнокольорових променів, розташованих віялом один біля одного. У веселці на небі відбувається явище, подібне тому, яке спостерігається під час проходження променів через призму. Пропонуємо розглянути рисунок ходу променів через краплину води.

Появу веселки пояснюють так: сонячний промінь входить у кожну краплину, заломлюючись у ній; а на протилежному внутрішньому боці краплини промінь відбивається від межі краплина-повітря всередину неї. Дійшовши до нової точки на внутрішній поверхні краплі, промінь виходить назовні, знову заломлюючись. На цьому шляху «колишній білий» промінь виходить із кожної краплини вже як сніп різнокольорових променів, бо промені різних кольорів заломлюються під різними кутами. Тому від кожної краплини, що зависла в повітрі, в око спостерігача потрапляє тільки один кольоровий промінь: кожна краплина здається забарвленою в якийсь один колір веселки. Решта променів від тієї самої краплини пройде вище або нижче ока спостерігача. Зате інші краплини, що висять нижче або вище від попередньої, посилатимуть до ока спостерігача промені інших кольорів. Звичайно, краплі змінюють одна одну, перебуваючи у безперервному русі. Величина краплин приблизно однакова, отже, й кути падіння та відбивання (в краплинах) променів різних кольорів однакові, тому веселка здається нерухомою. А коли для її виникнення потрібні «призми» – краплі, то й веселка є ознакою дощу, що припиняється, якщо вона спостерігається на сході після полудня при західних вітрах або на заході до полудня при східних вітрах (хоча це справджується інколи при інших вітрах).

Веселку можна також спостерігати у стороні, протилежної до Сонця, на тлі дощових хмар або дощу. Різноколірна дуга зазвичай знаходиться від спостерігача на відстані 1-2 км., а іноді її можна спостерігати на відстані 2-3 м на тлі водяних крапель, утворених фонтанами або розпилювачами води .

Центр веселки знаходиться на продовженні прямої, що сполучає Сонце і око спостерігача, – напроти сонячної лінії. Кут між напрямом на головну веселку і проти сонячну лінією складає 41⁰-42⁰.

У момент сходу сонця проти сонячна точка (точка М) знаходиться на лінії горизонту і веселка має вид півкола. У міру підняття Сонця проти сонячна точка опускається під горизонт і розмір веселки зменшується. Вона є лише частиною кола.

Часто спостерігається побічна веселка, концентрична з першою, з кутовим радіусом біля 52⁰ і зворотнім розташуванням кольорів.

При висоті Сонця 41⁰ головна веселка перестає бути видимою і над горизонтом виступає лише частина побічної веселки, а при висоті Сонця більш 52⁰ не видно і побічної веселки.

У веселки розрізняють сім основних кольорів, що плавно переходять один в іншій.

Вид дуги, яскравість квітів, ширина смуг залежать від розмірів крапельок води і їх кількості. Великі краплі створюють вужчу веселку, з кольорами, що різко виділяються, малі – дугу розпливчату, бляклу і навіть білу. От чому яскрава вузька веселка видно влітку після грозового дощу, під час якого падають крупні краплі.

Вперше теорія веселки була дана в 1637 році Рене Декартом. Він пояснив веселку, як явище, пов'язане з відбиванням і заломленням світла в дощових краплях.

Утворення кольорів та їх послідовність були пояснені пізніше, після розгадки складної природи білого світу і його дисперсії в середовищі.

Розглянемо простий випадок: нехай на краплі, що мають форму кулі, падає пучок паралельних сонячних промені.

Промінь, падаючий на поверхню краплі в точці А, заломлюється усередині неї за законом заломлення:

n sin α=n sin β, де n=1, n=1,33 – відповідно показники заломлення повітря і води, а – кут падіння, а β – кут заломлення світла.

Усередині краплі йде по прямий промінь АВ. У точці В відбувається часткове заломлення променю і часткове його відбивання. Треба відмітити, що, чим менше кут падіння в точці В, а отже і в точці А, тим менше інтенсивність відображеного променю і тим більше інтенсивність заломленого променю.

Промінь АВ після відбивання в точці В проходить під кутом β^!₁=β₁ і потрапляє у точку С, де також відбувається часткове відбивання і часткове заломлення світла. Заломлений промінь виходить з краплі під кутом ɣ₂, а відображений може пройти далі, в точку D і т.д. Таким чином, промінь світла в краплі зазнає багатократне відбивання і заломлення. При кожному віддзеркаленні деяка частина променів світла  виходить назовні і інтенсивність їх усередині краплі зменшується. Найбільш інтенсивним з променів, що виходять в повітря, є промінь, що вийшов з краплі в точці В. Але спостерігати його важко, оскільки він втрачається на тлі яскравих прямих сонячних променів. Промені ж, заломлені у точці С, створюють в сукупності на тлі темної хмари первинну веселку, а промені, що випробовують заломлення в точці D дають вторинну веселку, яка менш інтенсивна, чим первинна.

При розгляді утворення веселки потрібно врахувати ще одне явище – неоднакове заломлення хвиль світла різної довжини, тобто світлових променів різного кольору. Це явище носить назва дисперсії. Унаслідок дисперсії кути заломлення г і кута відхилення променів І в краплі різні для променів різного забарвлення.

Найчастіше ми спостерігаємо одну веселку. Нерідкі випадки, коли на небосхилі з'являються одночасно дві веселкові смуги, розташовані одна за одною; спостерігають і ще більше число небесних дуг – три, чотири і навіть п'ять одночасно. Виявляється, що веселка може виникати не тільки від прямих променів; нерідко вона з'являється і у відображених променях Сонця. Це можна бачити на березі морських заток, великих річок і озер. Три-чотири веселки – звичайні і відображені – створюють часом красиву картину. Оскільки відображені від водної поверхні промені Сонця йдуть від низу до верху, то веселка утворюється в променях, може виглядати іноді абсолютно незвично.

Якщо веселка з'являється увечері перед заходом Сонця, то спостерігають червону веселку.

 У останніх п'ять або десять хвилин перед заходом всі барви веселки, окрім червоного, зникають, вона стає дуже яскравою і видимою навіть опісля десять хвилин після заходу.

Красивим видовищем є веселка на росі. Її можна спостерігати при сході Сонця на траві, покритою росою. Ця веселка має форму гіперболи Розрахунки по формулах дифракційної теорії, виконані для крапель різного розміру, показали, що вигляд веселки - ширина дуг, наявність розташування і яскравість окремих кольорових відтінків, положення додаткових дуг дуже сильно залежать від розміру крапель дощу.

Приведемо основні характеристики зовнішнього вигляду веселки для крапель різних радіусів:

Радіус крапель 0,5-1 мм. Зовнішній край основної веселки яскравий, темно- червоний, за ним йде світло-червоний і далі чергуються всі барви веселки. Особливо яскравими здаються фіолетовий і зелений. Додаткових дуг багато (до п'яти), у них чергуються фіолетово-рожеві тони із зеленими. Додаткові дуги безпосередньо примикають до основних веселок.

Радіус крапель 0,25 мм. Червоний край веселки став слабкіший. Решта кольорів такі ж яскраві як і раніше. Декілька фіолетово-рожевих додаткових дуг змінюються зеленими.

Радіус крапель 0,10-0,15 мм. Червоного кольору в основній веселці більше немає. Зовнішній край веселки оранжевий. Взагалі веселка добре розвинена. Додаткові дуги стають все більш жовтими. Між ними і між основною веселкою і першою додатковою з'являються просвітлення.

Радіус крапель 0,04-0,05 мм. Веселка стає помітно ширшою і світлішою. Зовнішній край її блідо-жовтий. Найяскравішим є фіолетовий колір. Перша додаткова дуга відокремлена від основної веселки досить широким проміжком, колір її білястий, трохи зеленуватий і білувато-фіолетовий.

Радіус крапель 0,03 мм. Основна веселка ще ширша з дуже слабо забарвленим трохи жовтуватим краєм, містить окремі білі смуги.

Радіус крапель 0,025 мм і менше. Веселка стала зовсім білою. Вона приблизно у два рази ширше за звичайну веселку і має вид блискучої білої смуги. Всередині неї можуть бути додаткові дуги, спочатку блідо-голубі або зелені, потім білясто-червоні.

Таким чином, за виглядом веселки можна приблизно оцінити розміри крапель дощу, що утворили цю веселку. В цілому, чим більша крапля дощу, тим веселка виходить яскравішою, особливо характерним для крупних крапель є наявність насиченого червоного кольору в основній веселці.