Что такое радуга как природное явление
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.
Что такое радуга?
Семицветный чудо-мост
Так, в Китае, где почитаемы драконы, радуга также представляется этим фантастическим существом, символизирующим единение Неба и Земли, инь и ян. Извивающимся существом — небесной змеёй — представляли радугу и африканские мифы. Она кольцом опоясывала Землю и охраняла несметные сокровища.
Мотив стража появляется и у скандинавов в мифологии «Биврёст» (др.-исл. bifrǫst), что означает «дрожащий путь». Радуга — это мост, связывающий Небо и Землю, а охраняет его страж Хеймдалль. В час, когда наступит Рагнарёк (гибель мира и богов), мост разрушится.
Самая популярная ассоциация с радугой, — естественно, мост. И славянская мифология не ушла от этого образа. Магическая разноцветная радуга соединяла Небо и Землю. И ангелы спускались по этому мосту за речной водой. Собранную влагу выливали в облака, проливавшиеся дождём на землю.
Есть и другой вариант: радуга — это искрящееся коромысло, которым древняя богиня плодородия черпает живительную воду из моря-океана и проливает её на поля. Коромысло прячут на небе, а разглядеть его можно только в ночное время в созвездии Большой Медведицы. Любопытно, что в славянских мифах объясняется не только сущность радуги, но и причины появления облаков и дождя.
Древние мифы и сказания, конечно, очень интересны, но с тех пор человечество сильно шагнуло вперёд, и теперь мы можем выяснить природу радуги уже с научной точки зрения.
Как появляется семицветный луч?
Для начала вспомним, что такое световой луч. Мы знаем, что луч представляет собой отрезки электромагнитной волны (частицы, летящие с огромной скоростью). Эти волны разные по длине и, соответственно, по цвету, но человек воспринимает их в одном потоке белого света. Единственная ситуация, когда человеческий глаз может «распознать» разные цвета — это попадание луча света на стекло или каплю воды.
Меньше всех отклоняются короткие волны красного цвета. Самые длинные волны у фиолетового цвета, он рассеивается сильнее всех. Соответственно остальные цвета находятся между волнами красного и фиолетового цветов. Мы видим лишь семь цветов, однако на самом деле оттенков гораздо больше, но они являются переходными и не так заметны.
Как возникает радуга?
Итак, теперь мы знаем, что в природе для появления радуги нужен свет и обильная влажность. Мы видим «коромысло» как раз после дождя (иногда и во время него) в солнечном свете. Также увидеть радугу можно в солнечный день у водоёмов, самая яркая — у водопада.
Однако иногда и погода солнечная, и дождь идёт, а радуги нет. Почему так происходит? Дело в том, что для того, чтобы увидеть радугу, должны быть соблюдены определённые условия. Во-первых, лучи света должны падать на капли под углом 42°. Во-вторых, наблюдатель должен стоять спиной к источнику света.
Радуга может быть разной степени яркости и ширины. Данные параметры зависят от величины капель: чем они крупнее, тем ярче будет «мостик».
Дуга или окружность?
А какой формы на самом деле радуга? Ведь мы всегда считали её дугой. Однако в данном случае ближе к правде оказались африканские мифы, считавшие радугу не полукругом, а кольцом. Действительно, настоящий радужный замкнутый круг мы можем увидеть из иллюминатора самолёта, а на земле мы, к сожалению, видим только его часть.
Раз радуга, два радуга.
А видели ли вы когда-нибудь несколько радуг одновременно? Это очень частое явление. Для нескольких «радужных мостов» нужно, чтобы световые лучи, пронзающие капли, отразились несколько раз.
Часто вместе с несколькими радугами можно различить и другое явление — полосу Александра (тёмная полоска неба между радужными «лесенками»).
Разновидности радуг
Но радуги бывают не только яркие и семицветные. Например, существует редкая туманная белая радуга. Выглядит она как широкая белая полоса, появляющаяся при проникновении света сквозь слабый туман. При этом туман должен состоять из капелек радиусом около 0,025 мм. Полоса радуги может быть не чисто белой, а с примесью оранжевого цвета с внешней стороны и фиолетового с внутренней.
Время радуги
Когда мы говорим про появление семицветного «коромысла», одним из условий его возникновения называем свет. Но свет есть не только днём. Так возможно ли рождение радуги в ночное время суток?
Ночного света луны вполне хватает для появления радуги. Он отражается от водяных капелек или водопада, образуя знакомые нам цвета. Однако в темноте человеческий глаз плохо различает эти цвета и принимает их за обычный белый свет. Наиболее видимой для людей лунная радуга становится во время полнолуния.
Собственная радуга
Если заметить естественную радугу никак не получается, то можно её сделать своими руками. Рассмотрим два простых способа.
Радуга в брызгах воды
Существует ещё более простой способ увидеть радугу.
1. Нам понадобятся: шланг с водой и место для проведения опыта (желательно двор на улице).
2. Ход работы:
Как запомнить цвета радуги?
Все мы знаем известную фразу для запоминания порядка цветов радуги: Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан. Но существует ещё несколько мнемонических (созданных для лучшего закрепления памяти) полезных фраз.
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.
Описание явления
Узнать, как выглядит радуга, можно после дождя, когда выходит солнце. На небе появляется огромная дуга или окружность, сияющая семью плавно переходящими друг в друга красками. Цвета радуги по порядку выглядят так:
Легко запомнить правильную последовательность даже ребёнку в первом классе можно при помощи фраз-подсказок, в которых каждое слово начинается с той же буквы, что и название цвета:
Однако стоит помнить, что эти цвета основные, но не единственные. Между ними есть множество промежуточных оттенков, так как спектр непрерывен.
Исследования оптического феномена
Почему возникает радуга, люди точно узнали уже в XIII—XIV вв. еках. Историки ставят это в заслугу сразу нескольким исследователям:
В XVII веке размышления и наблюдения деятелей науки вновь были направлены на это явление. В 1611 году хорватским учёным и теологом М. А. де Доминисом была написана книга, в которой разъяснялось, что в основе возникновения радуги лежит физическое явление, связанное с солнечным светом, по следующей схеме:
Через некоторое время это описание было дополнено новыми фактами. Французский физик Р. Декарт установил преобладающие углы преломления солнечных лучей при выходе из капли:
Получить такие данные учёный смог, проведя большой эксперимент, в рамках которого он рассмотрел десять тысяч лучей в капле. В XVIII веке английский физик И. Ньютон сделал ещё одно дополнение, выделив несколько цветов в радуге и объяснив причину их возникновения. Она заключается в том, что белый свет разлагается в спектр из-за разного угла отклонения водяными капельками света. Физик оказался абсолютно прав, однако его современники не приняли его открытия. Им была чужда идея, что самый чистый белый цвет является всего лишь смешением «грязных» цветных лучей.
Количество цветов
Не везде и не всегда в радуге выделялось семь цветов. Во времена Аристотеля их насчитывали всего три:
Представители африканских племен и вовсе ограничивались разделением оттенков на светлый и тёмный. Исаак Ньютон изначально разглядел в радуге пять цветов:
Чуть позже он обнаружил шестой цвет — оранжевый. Но на сознание учёных тех времён большое влияние имела церковь, и цифра 6 глубоко верующему Ньютону не понравилось. Другое дело 7, имеющий древнее мистическое значение, символизирующий количество дней недели и смертных грехов. Поэтому физику пришлось буквально высмотреть седьмой цвет: он определил его как индиго.
Однако со временем в некоторых государствах понимание количества цветов в радуге снова сократилось до шести. Сейчас голубой и синий, которые различают в России, объединяются в один в следующих странах:
В Японии цветов тоже шесть, но голубой и синий они различают. Зато зелёного в их языке нет. Он воспринимается японцами как оттенок синего.
Виды радуги
Чаще всего на небе видна одна первичная радуга, но иногда вокруг неё показывается и вторичная, менее яркая. Она образуется, когда свет отражается в дождевых каплях дважды, поэтому порядок цветов у нее обратный (от фиолетового, который расположен снаружи, к красному). Разделяет два семицвета тёмная полоса неба.
В естественных условиях невооружённым глазом очень редко видна радуга третьего порядка, но с помощью специального оборудования возможно зарегистрировать до семи небесных дуг. А в лабораторных условиях их можно получить вплоть до 200 штук.
Но природа не ограничивается образованием нескольких простых радуг. Они бывают ещё и необычными, например:
Кроме того, существуют двойные, перевёрнутые и круглые формы радуги. Солнечный свет при этом преломляется не через водяные капли, а через кристаллы льда, рассеянные в воздухе, поэтому обязательным условием для таких оптических явлений является холодная погода.
Значение и наименование в истории
Сейчас люди прекрасно понимают, как образовывается радуга. Но много лет назад с этим красивым явлением было связано множество мифом и легенд:
Называл радугу каждый народ тоже по-своему. Греки считали, что по ней спускается крылатая посланница богов Ирида, и в честь неё именовали небесную тропу словом iris. В древнееврейской традиции она называется qäšät, что означает божий лук. Этимология русского слова достаточно проста. Оно сложено из двух:
В буквальном смысле это означает «пёстрая дуга». И если в русском языке слово немного переиначено, то в украинском используется в первозданном виде — райдуга.
Упоминание в Библии
О семицвете есть упоминание и в Библии. Там он появился после всемирного потопа как символ прощения, данного Богом человечеству. Кстати, эта версия имеет научное обоснование. Есть предположение, что потоп, уничтоживший огромное количество живых организмов, действительно случился за много веков до нашей эры. До него небо застилали густые облака, ультрафиолет не воздействовал на людей, и они жили гораздо дольше, чем сейчас.
Но это не могло продолжаться вечно. Огромное количество паров и осадков на земле привело к потопу, из-за которой сместилась земная ось, и появилась смена времён года. Кроме того, облака стали значительно реже, и только в них теперь стало возможным увидеть радугу.
Природа дарит человечеству множество удивительных явлений и феноменов. Одни из них люди могут объяснить, другие до сих пор остаются загадками.