Что такое двойная радуга и как она возникает
Двойная радуга – мираж или реальное явление?
27.04.2009 18:46
Каждый из нас хоть раз любовался яркой радугой, появляющейся в виде разноцветной дуги на фоне темной тучи. Она расположена на стороне небесного свода, противоположной солнцу.
Любуясь воздушным призраком, мы иногда обнаруживаем, что он имеет своего двойника — другую дугу, скромную, слабо заметную. А некоторым приходилось видеть сразу три-четыре радуги. Но такие случаи бывают очень редко.
Двойная радуга состоит из нижней — более яркой, а над ней через небольшой промежуток — другая, менее яркая. Первая называется главной, вторая — побочной.
Обе радуги обращены друг к другу красными краями дуги так, что у главной радуги красный край находится на выпуклой стороне, у побочной — на выгнутой стороне дуги. За красной полосой дуги следуют полосы других цветов в порядке солнечного спектра. Таким образом, главная радуга с внутренней стороны и побочная ограничены фиолетовыми дугами. Радуга, в которой одинаково развиты все цвета солнечного спектра, наблюдается не так часто. Обычно самыми яркими цветами бывают красный или зеленый. Другие же цвета менее ярки или отсутствуют вовсе.
Теория радуги весьма сложна. Грубо говоря, лучи солнца падают на каплю, находящуюся в воздухе, в виде пучка параллельных лучшей и проникают на различные участки кривой поверхности капли под разными углами. Проходя внутрь капли, солнечные лучи отклоняются от своего первоначального пути различно, в зависимотси от угла, под которым луч упал на каплю. Дойдя до противоположной стенки капли, лучи частью пройдут через нее, частью отразятся от стенки и, пройдя через каплю еще раз, опять переломятся при выходе.
Так как в воздухе находится много капель, расположенных одинаково по отношению к солнцу и глазу человека, то все преломленные лучи сольются. Соответственно глаз увидит не отдельные цветные точки, а целые цветные полосы. Эти полосы будут расположены в виде дуг, поскольку лучи одинакового цвета будут попадать в глаз только из тех капелек, которые расположены на конусообразной поверхности, ось котрой проходит через глаз наблюдателя, а основание лежит там, где находятся капли.
Образование второй побочной радуги объяснятеся тем, что здесь пучок солнечных лучей попадает на капли под таким углом, что претерпевает два преломнения и два отражения до стенок. Поэтому у побочной радуги фиолетовый цвет будет на выпуклой, а красный — на вогнутой стороне дуги. Побочная радуга всегда менее яркая.
Обширные водные пространства могут быть причиной появления на небосводе радуги «вверх ногами». Это бывает очень редко, когда солнечные лучи дважды отражаются на своем пути: первый раз — от спокойной, зеркальной глади водоема и второй раз — от дождевых капель. Когда же дождь постепенно стихает, а затем и вовсе прекращается, радуга блекнет, размывается и исчезает.
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.
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.
Двойная радуга: особенности феномена и процесс образования дуги
Увидев хотя бы раз в жизни двойную радугу, каждый человек сможет описать это явление, как что-то невероятно красивое и впечатляющее. Удивительный и яркий феномен случается нечасто, поэтому лицезреть подобную игру красок посчастливится не всем жителям планеты земля, наполненной загадками, привлекающими внимание не только ученых, но и обычных граждан. Красочное чудо стало популярным в интернете, блогеры все чаще стали искать возможность снять видео или сделать фотографию на фоне подобного явления, чтобы привнести уникальности в контент. Что же такого удивительного в этом феномене, подробная информация о двойном строении точно не оставит равнодушной ни одну личность, искренне интересующуюся новыми впечатлениями.
В два раза эффектней
Обычную радугу любят взрослые и дети, она приносит в жизнь положительные эмоции и вызывает улыбку на лице, смотреть за проявлением красок можно довольно долго, пока феномен не станет пропадать из виду. Но, если два таких чуда оказываются в непосредственной близости, эффект, несомненно, усиливается, зрелище становится максимально ярким и волшебным. В мире есть множество редких и уникальных вещей, подобное явление можно смело отнести именно к ним, хотя ученые так не считают. Увидев двойную радугу, человек может считать себя настоящим счастливчиком, ведь такие сочетания бывают редко.
Принцип образования красочной дуги в небе
После того как людям посчастливилось наблюдать за феноменом, не удивительно, что они задаются вопросом происхождения такого проявления. Большинство экспертов сразу начинают проводить уроки оптики и рассказывать о правилах преломления света, и они абсолютно правы, по сути, принцип заключается именно в этих мелочах. Чудо появляется тогда, когда сквозь капли дождя или образовавшегося тумана начинают пробиваться лучи солнца.
Вода способна выполнять функции оптической призмы, при этом попадающий свет будет изгибаться, а преломляясь оставлять отпечаток в атмосфере. Разные цвета лучей будут отражаться своеобразно, от этого и набор красок, но всем известно, что радуга начинается с красного оттенка, это обусловлено меньшим преломлением длинноволнового света, чем у коротковолновых лучей. Дуга красного цвета изгибается меньше всего, синий и фиолетовый способны намного больше изгибаться, поэтому они имеют более крутую форму и завершают явление.
Тонкости проявления двойной радуги
Свет иногда отражается в каплях дождя или тумана дважды, именно за счет такого уникального явления люди наблюдают красочный тандем. Феномен состоит из первичной и вторичной дуги, первая заметно ярче второй, а расстояние, образовавшееся между двух природных чудес, отличается более темным оттенком на фоне всего неба, подобный момент имеет название как полоса Александра. Зрелище трудно описать словами, такое эффектное проявление необходимо увидеть лично, угнаться за двойной радугой не получится, поэтому наблюдавшие за явлением личности могут смело считаться счастливчиками.
Достижения профессионалов
Ученые неустанно повторяют, что в природе есть и явление тройного порядка, которую невооруженным взглядом заметить достаточно сложно. Вот это чудо действительно происходит очень редко, за четверть тысячелетия было зарегистрировано всего 5 случаев, для распознавания феномена задействовалось специализированное оборудование. Интересен тот факт, что в лабораторных условиях люди научились создавать радуги высоких порядков, внимание к подобным нюансам привело к тщательным наблюдениям за природным чудом при помощи таких дополнений как:
В результате специалисты зафиксировали радугу 5, 6 и 7 порядка, что стало настоящим открытием и вызвало большой интерес у простого народа. Снимки получились невероятно красивые и эффектные, такой фон на гаджете или персональном компьютере пожелает иметь любой человек, независимо от возраста.
Исторические факты
Сегодня более взрослое поколение может с уверенностью сказать, что видели десяток, а то и сотню обычных радуг, но есть и те, кто просто не обращает внимания на подобный феномен. Так было не всегда, в древности люди очень серьезно относились к чуду природы, особенно когда оно дублировалось в атмосфере. Провидцы считали, что божьи дуги или мосты соединяют дома смертных и божественных созданий. Знать нередко посещала Ниагарский водопад, где можно наблюдать проявление достаточно часто, зрелище неописуемо красивое и впечатляющее, но большими размерами здесь феномен не выделяется.
Сегодня, в век современных технологий можно легко запечатлеть событие на камеру или фотоаппарат и красочное проявление останется в памяти надолго, древние люди не могли позволить себе чего-то подобного. Очарование двойной радуги напрямую связано с шириной и величеством дуги, которая начинается в одном крае горизонта и уходит за второй. Трудно поверить, что крошечные сферические капли способны просто плавать в небе и создавать подобные красочные преломления солнечных лучей, даря наблюдателям массу позитивных эмоций и заряд для свершения задуманных дел.
gotskaya
gotskayaБлог человека с наклонностями синоптика
Одно СМИ поинтересовалось у меня по поводу природы такого красивейшего явления, как двойная радуга, которую жители Ижевска видели в субботу.
Я решила поделиться и с читателями блога, которым также интересно, что же это.
Фото: kayrosblog.ru
— Мы видим не отдельные радугообразные точки, в которых свет от солнца преломляется и отражается, а целые полосы. Это происходит потому, что в воздухе находится множество капель, расположенных одинаково по отношению к глазу наблюдателя и солнцу. Все преломленные лучи сливаются и образуют сплошную дугообразную линию.
— Мы видим радугу в виде дуги, потому что лучи одинакового цвета попадают в глаз наблюдателя только из тех капель воды, которые расположены на конусообразной поверхности, ось которой проходит через глаз наблюдателя, а основание располагается там, где находятся капли.
Нередко можно наблюдать сразу две радуги. Внутренняя, более яркая, и внешняя зеркальная, более блеклая. Дело тут в угле, под которым свет проникает в капли. В этом случае он попадает под таким углом, что отражается в нем два раза. Поэтому человек и видит две радуги. Причем внутренняя «забирает» большинство света, поэтому она более яркая.