Радуга


Мы говорили до сих пор о тех свойствах солнечного луча, которые имеют самое близкое отношение к нам самим, — о видимости, освещенности, рассеянии света. Но солнечный луч —творец самых разнообразных явлений в атмосфере, и если не все они одинаково важны для нас практически, то интерес к ним от этого отнюдь не пропадает.

Все великолепие красок, которое мы наблюдаем вокруг себя на Земле, все богатство и красота пейзажей порождены воздухом и светом. Белый солнечный луч, рассеиваясь, преломляясь и отражаясь, разбрасывает в атмосфере бесчисленное множество красочных эффектов.

Но ученого привлекает к себе не только внешняя красота явлений. Луч света, идущий к нам из мировых глубин, — единственный рассказчик обо всем происходящем за пределами земного шара.

Световые лучи — это подлинный язык вселенной, и благодаря успехам современных точных наук — физики, химии, математики — мы научились понимать этот язык.

Луч света многое «рассказывает» нам также о строении и свойствах воздушной оболочки Земли, сквозь которую он проникает.

Радуга — явление, знакомое каждому с раннего детства. Яркий, переливающийся «всеми цветами радуги» воздушный мост всегда связан в нашем представлении с дождем и Солнцем.

У древних народов радугу считали дочерью «чуда и лучезарности Солнца». Но это мифологическое хитросплетение указывало только на то, что для образования радуги необходимы дождь и Солнце. Как бы ни «освящали» это небесное явление древние люди, здравый смысл человека с незапамятных времен подметил, что радуга рождается солнечными лучами в каплях дождя и что ее всегда видно на стороне, противоположной Солнцу.

Что же происходит, когда солнечный луч падает на капли дождя, висящие в воздухе? Давайте разберем это с помощью рис. 4.

Луч света SA упал на водяную каплю в точке А. Часть света может при этом отразиться от ее поверхности, но большая часть его при входе в каплю преломится, отразится внутри нее от поверхности в точке В, преломившись еще раз в точке С, снова выйдет в воздух. Всякий раз, преломляясь и отражаясь, луч отклоняется на некоторый угол, на нашем рисунке — вправо. В общем же он повернется на большой угол; его легко определить, если продолжить входящий в каплю луч и луч, вышедший из нее, до пересечения их обоих. Назовем полный угол поворота через а. Можно представить себе лучи, падающие на каплю и в других точках, например в A1 и, зная закон преломления световых лучей в воде, рассчитать угол а для каждого луча, то есть найти, куда направятся лучи, выйдя из капли. Такой расчет позволит нам сделать следующий вывод: наибольшее число из всех выходящих лучей выйдет по направлению C1S1, (или очень близкому к нему), причем C1S1 —такой луч, для которого угол поворота а — наименьший из всех. Небольшое количество лучей выйдет из капли «выше» этого луча и ни одного — «ниже», то есть с меньшим углом поворота. Легко понять, что если в точке S1 находится глаз наблюдателя, смотрящего в направлении С1, то он увидит каплю ярко светящейся. Посмотрев в другом направлении выше или ниже, он таких капель не увидит.

Яркие капли видны только под некоторым углом к солнечным лучам. Поскольку красные лучи преломляются в воде меньше, чем фиолетовые, угол полного поворота а у красных лучей будет меньше, а у фиолетовых больше. Из нашего рисунка видно, что круг капель, посылающих в наш глаз красные лучи, будет находиться снаружи фиолетового круга. Поэтому радуга на своем внешнем крае будет окрашена в красный цвет, а на внутреннем — в фиолетовый, между ними же распределятся другие цвета спектра — оранжевый, желтый, зеленый, голубой и синий.

Для того чтобы радуга была яркой и правильной, большое число преломляющих капелек должно быть одинаковым по величине. В каплях, не одинаковых по размеру, луч света преломляется по-разному. При этом цвета наложатся один на другой, а радуга потускнеет, побледнеет.

Луч света может два раза отразиться внутри капли и выйти из нее после этих двух отражений. Тогда на небесном своде покажется вторая радуга, несколько более бледная, чем первая. Она раскинется сверху над первой радугой, и расположение цветов в ней будет обратное: красный цвет на ее внутреннем крае, фиолетовый — на наружном. Двойная радуга бывает довольно часто. Но были, правда, лишь редко, и такие случаи, когда на небе были видны третья, четвертая и даже пятая радуги.

Такова простейшая теория радуги. На самом же деле это явление гораздо сложнее. Более подробные расчеты показывают, что даже лучи одного и того же цвета преломляются в капле так, что, кроме яркого, главного луча, из капли выходит еще несколько более слабых вторичных лучей, угол поворота которых несколько больше, чем у главного луча. Таким образом, имеются вторичные желтый, зеленый и другие лучи и у внутреннего края каждой радуги появляются одна или две вторичные радуги, гораздо более слабые и узкие. Из-за наложения цветов этих радуг один на другой сами они кажутся гораздо бледнее.

Кроме того, оказывается, чем меньше капли, в которых преломляются лучи, тем более широкую полосу занимает каждый цвет в главной радуге. Цвета эти налагаются один на другой почти во всей дуге, и она, становясь очень широкой, приобретает почти белый цвет. Лишь наружный край ее окрашен желтоватым, а внутренний — голубоватым тонами. Такая радуга бывает в тумане или в облаках без дождя. Это красивое небесное явление рассказывает, следовательно, нам о том, какие капли ее образовали.

Если цвета радуги чисты и ярки и особенно ярки красный, зеленый и фиолетовый цвета (голубой и синий могут быть мало заметны), а во вторичных радугах заметны лишь розово-фиолетовые и зеленовато-синие тона, то размер капель большой — диаметр их около 1—2 миллиметров.

Если цвета довольно ярки (только красный слабее других), зеленая полоса узка, вторичные радуги очень отчетливы и в них можно различить все обычные цвета, то диаметр капель около 0,2—0,3 миллиметра.

Если же, наконец, вся радуга почти белая с желтоватым внешним краем и слегка фиолетовым внутренним, а на некотором расстоянии от нее есть еле различимая вторичная радуга с бледнокрасным и синим тонами, то диаметр капель около 0,05 миллиметра.

Но, конечно, здесь возможны и расцветки, переходные от одного типа к другому.

Всякий раз, когда после ливня на небе, еще полузакрытом тучами, повиснет блестящая полоса радуги, мы говорим: «Дождя больше не будет». Верно ли это?

Может ли радуга предсказать нам погоду? Нет, не может, но связь ее с уходящим дождем справедлива; она-то и породила в нас эту уверенность.

Летние грозы чаще всего бывают у нас после полудня, когда Солнце на западе, — вы уже знаете почему. Они движутся обычно с запада на восток. Зная это, легко сообразить, что радуга чаще всего видна на фоне уходящего дождя.

Мы не должны связывать явление радуги только с солнечным светом. Она может возникать и при других обстоятельствах. Каких — мы сейчас увидим.

Свет Луны тоже создает радугу. Но так как он в тысячи раз слабее солнечного, то и лунные радуги бледны и слабо различимы — они кажутся почти совсем белыми. Да и наблюдаются они сравнительно редко, потому что грозовые ливни, при которых бы на одной части неба ярко светила Луна, а другая была бы закрыта тучами, редко бывают ночью.

В средних широтах, например в Москве, а также на Урале и в Западной Сибири, радуга появляется 5—6 раз в году, чаще всего летом — в июне, июле, августе, несколько реже — в мае и сентябре. Зимой дожди идут у нас редко, и радуга в это время года почти не появляется на нашем небосклоне.

Если радуга видна на фоне отдаленных предметов — гор или облаков, то мы ясно видим, что она занимает некоторое место в пространстве, что она ближе к нам, чем эти горы или облака. Радуга как бы висит перед нами. На самом деле «висит» не радуга, а капли дождя, в которых преломляются солнечные лучи. Эти капли могут быть ближе или дальше от нас, и сквозь завесу дождя, окрашенную в радужные цвета, отдаленные горы могут быть слегка видимы.

Радуга может быть создана не только прямыми лучами Солнца, но и лучами, отраженными от поверхности моря или озера. Сочетание обычной и отраженной радуги изображено на рис. 5.

Очень легко наблюдать искусственную радугу. Поглядите, стоя спиной к Солнцу, на струю воды, выбрасываемую фонтаном. Вы увидите одновременно «обрывки» сразу нескольких радуг. Их цвета, как вы знаете, особенно ярки, когда все капельки одинакового размера.

Многочисленные красивые радуги вы увидите у больших водопадов, особенно если стать к водопаду так близко, чтобы облако падающих капель занимало почти все поле нашего зрения. Тогда видно несколько полных радужных кругов, ярких и отчетливых.