Радуга

{{#if: | }}

Файл:2014 04 24 FOZ 006.jpg

Двойная радуга над водопадом Игуасу

Файл:Радуга над Гродно.jpg

Радуга над Гродно

Ра́дуга — атмосферное, оптическое и метеорологическое явление, наблюдаемое при освещении ярким источником света (в природе — Солнцем или Луной, см. лунная радуга) множества водяных капель (дождя или тумана).

Радуга выглядит как разноцветная дуга или окружность, составленная из цветов спектра видимого излучения (от внешнего края: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый). Это те семь цветов, которые принято выделять в радуге в русской культуре (возможно, вслед за Ньютоном, см. ниже), но на самом деле спектр непрерывен, и его цвета плавно переходят друг в друга через множество промежуточных оттенков.

Центр окружности, описываемой радугой, лежит на прямой, проходящей через наблюдателя и солнце, в антисолнечной точкеШаблон:Sfn; при этом солнце всегда находится за спиной наблюдателя. Угловой радиус окружности — 42 градусаШаблон:Sfn.

Для наблюдателя на земле радуга обычно выглядит как дуга окружности, чем ниже солнце над горизонтом, тем ближе дуга к половине окружности, а высота верхушки радуги над землёй — к 42 градусам. Чем выше точка наблюдения, тем дуга полнее (с высокой точки или самолёта можно увидеть и полную окружность радуги). Когда солнце поднимается выше 42 градусов над горизонтом, окружность возможного появления радуги оказывается ниже уровня земли, и наблюдатель, находящийся на её поверхности, увидеть радугу не может<ref name="Миннарт">Шаблон:Книга</ref>. Приблизиться к радуге, как и к горизонту, невозможно<ref name="NiZh">Шаблон:Статья</ref>.

Физика радуги

Файл:Arc-en-ciel secondaire.jpg

Первичная и вторичная радуги с полосой Александра между ними

Радуга возникает из-за того, что солнечный свет преломляется и отражается каплями воды (дождя или тумана), парящими в атмосфере. Эти капли по-разному отклоняют свет разных цветов (показатель преломления воды для более длинноволнового (красного) света меньше, чем для коротковолнового (фиолетового), поэтому слабее всего отклоняется красный свет — на 137°30’, а сильнее всего фиолетовый — на 139°20’). В результате белый свет разлагается в спектр. Наблюдатель, стоящий спиной к источнику света, видит разноцветное свечение, которое исходит из пространства по концентрическим окружностям (дугам).

Файл:Rainbowrays.png

Ход лучей в сферической капле, образование первичной радуги

Файл:Prism-rainbow.svg

Преломление света при его переходе в среду с иной оптической плотностью

Радуга представляет собой каустику, возникающую на сферической капле при преломлении и отражении (внутри неё) плоскопараллельного пучка света. Как показано на рисунке для пучка монохроматического света, отражённый свет имеет максимальную интенсивность для определённого угла между источником, каплей и наблюдателем. Этот максимум весьма «острый», бо́льшая часть света выходит из капли, развернувшись практически точно на один и тот же угол. Дело в том, что угол, под которым из капли уходит отражённый и преломлённый ею луч, немонотонно зависит от расстояния от падающего (первоначального) луча до оси, параллельной ему и проходящей через центр капли. Эта зависимость имеет гладкий экстремум. Поэтому больше всего света капля разворачивает именно на этот угол и близкие к нему. Значения этого угла немного различаются для разных показателей преломления, соответствующих лучам разного цвета. При этом угле и возникает отражение-преломление максимальной яркости, составляющее (от разных капель) радугу; «яркие» лучи от разных капель образуют конус с вершиной в зрачке наблюдателя и осью, проходящей через наблюдателя и солнце<ref>Можно заметить (это хорошо видно и на рисунке), что заметное количество света, отражённого-преломлённого в каплях, попадает и во внутреннюю область конуса. И хотя в этой области острый максимум интенсивности отсутствует, что делает свет в ней практически лишённым цвета, однако общее количество попадающего сюда света достаточно велико. При наблюдении (и на фотографиях) нередко можно заметить, что небо (как и пейзаж и вообще всё) внутри дуги радуги заметно светлее</ref>.

Для одного отражения внутри капли такой угол имеет одно значение, для двух — другое, и т. д. Этому соответствует первичная (радуга первого порядка), вторичная (радуга второго порядка) и т. д. радуга. Первичная — самая яркая, она уносит из капли бо́льшую часть света. В природе радуги порядка, большего чем второй, обычно не удаётся увидеть, так как они очень слабы.

Файл:Rainbow formation.png

Схема образования радуги:Шаблон:Flexilist

Чаще всего наблюдается первичная радуга, при которой свет претерпевает одно внутреннее отражение. Ход лучей показан на рисунке справа вверху. В первичной радуге красный цвет находится снаружи дуги, её угловой радиус составляет 40—42°.

Иногда можно увидеть ещё одну, менее яркую радугу вокруг первой. Это вторичная радуга, которая образована светом, отражённым в каплях два раза. Во вторичной радуге «перевёрнутый» порядок цветов — снаружи фиолетовый, внутри красный. Угловой радиус вторичной радуги 50—53°. Небо между двумя радугами обычно заметно более тёмное, эту область называют «полосой Александра».

Появление радуги третьего порядка в естественных условиях чрезвычайно редко. Считается, что за последние 250 лет было только пять научных сообщений о наблюдении этого явления<ref name="OSA">From myth to reality: photos prove triple rainbows exist Шаблон:Wayback — Статья на сайте Оптического общества (The Optical Society, OSA)</ref>. В то же время благодаря применению специальных методов фотосъёмки и последующей обработки полученных фотографий удаётся зарегистрировать радуги четвёртого<ref>Шаблон:Статья</ref>, пятого<ref>Шаблон:Статья</ref> и даже, как предполагается, седьмого<ref>Шаблон:Статья</ref> порядков.

В лабораторных условиях удаётся получать радуги гораздо более высоких порядков. Так, в статье, опубликованной в 1998 году, утверждалось, что авторы, используя лазерное излучение, получили радугу двухсотого порядка<ref>Шаблон:Статья</ref>.

Свет первичной радуги поляризован на 96% вдоль направления дуги<ref>Шаблон:Cite web</ref>, вторичной на 90%.

В яркую лунную ночь можно наблюдать и радугу от луны. Поскольку рецепторы человеческого глаза, работающие при слабом освещении, — «палочки» — не воспринимают цвета, лунная радуга выглядит белёсой; чем ярче свет, тем «цветнее» радуга (в её восприятие включаются цветовые рецепторы — «колбочки»).

Необычные радуги

Файл:ReflectionRainbow.jpg

Отражённая радуга (верхняя) и основная радуга (нижняя) на закате

Чаще всего наблюдается простая радуга-дуга, но известно много других оптических феноменов, которые возникают по похожим причинам или похоже выглядят. Например, туманная (белая) радуга, возникающая на очень маленьких капельках тумана, и огненная радуга (один из видов гало), возникающая на перистых облаках. Похож на радугу и слабый паргелий — гало в 22° слева и справа от солнца. Ночью можно увидеть лунную радугу.

Когда радуга появляется над поверхностью воды (или над другой отражающей поверхностью, например, мокрым песком<ref>Шаблон:Cite web</ref>), может возникнуть так называемая отражённая радуга (англ. Шаблон:Lang-en2)<ref>Шаблон:Cite web</ref>. Она появляется<ref>Шаблон:Cite web</ref>, когда солнечный свет отражается от поверхности воды до того, как попадает на дождевые капли, где происходит преломление. Водная поверхность должна быть достаточно большой, спокойной и близкой к стене дождя. Из-за большого количества условий отражённая радуга — редкое явление.

Отражённая радуга пересекает основную на уровне горизонта, далее проходит над ней. Так как солнечный свет предварительно отражается от воды, яркость отражённой радуги ниже основной.

Файл:Перевернутая радуга.JPG

Перевёрнутая радуга

Явления, похожие на радугу

При определённых обстоятельствах можно увидеть двойную, перевёрнутую или даже кольцевую радугу. На самом деле это явления другого процесса — преломления света в кристаллах льда, рассеянного в атмосфере, и относятся к гало<ref>http://ice-halo.net/theory Шаблон:Wayback Как отличить гало от радуги</ref>.

Для появления в небе перевёрнутой радуги (околозенитной дуги, зенитной дуги — одного из видов гало) необходимы специфические погодные условия, характерные для Северного и Южного полюсов. Перевёрнутая радуга образуется за счёт преломления света, проходящего через льдинки тонкой завесы облаков на высоте 7—8 тысяч метров. Цвета в такой радуге располагаются тоже наоборот, фиолетовый вверху, а красный внизу.

История исследования

Файл:Национальный парк Угра. Жиздринский участок. Радуга.jpg

Радуга в национальном парке Угра

Персидский астроном Кутб ад-Дин аш-Ширази (1236—1311), а возможно, его ученик Камал ад-Дин аль-Фариси (1260—1320), видимо, был первым, кто дал достаточно точное объяснение феномена<ref>Шаблон:Cite web</ref>. Примерно одновременно аналогичное объяснение радуги предложили немецкий учёный Дитер Фрейбургский и английский учёный Роджер Бэкон.

Общая физическая картина радуги была описана в 1611 году Марком Антонием де Доминисом в книге De radiis visus et lucis in vitris perspectivis et iride»<ref>De radiis visus et lucis in vitris perspectivis et iride Шаблон:Wayback в библиотеке Google</ref>. На основании опытных наблюдений он пришёл к заключению, что радуга получается в результате отражения от внутренней поверхности капли дождя и двукратного преломления при входе в каплю и при выходе из неё<ref>Шаблон:Книга</ref>.

Файл:Double-alaskan-rainbow.jpg

Радуга на Аляске

Рене Декарт дал более полное объяснение радуги в 1637 году в труде «Рассуждение о методе» (часть «Метеоры», глава «О радуге»)<ref name="arc">Шаблон:Публикация</ref><ref>Шаблон:Публикация</ref>. Рассмотрев путь 10000 лучей в капле, он установил, что лучи от 8500-го до 8600-го выходят под одним и тем же углом 41,5 градуса к первоначальному их направлению и, следовательно, этот угол — преобладающий для лучей<ref name="NiZh"/><ref name="arc"/>. Он также установил, что вторичная радуга возникает в результате двух преломлений и двух отражений<ref>Шаблон:Статья</ref>, а лучи в этом случае выходят из капли в основном под углом 51—52 градуса к первоначальному направлению<ref name="arc"/>.

Исаак Ньютон в трактате «Оптика» дополнил теорию Декарта и де Доминиса разъяснением причин возникновения цветов радуги и противоположного порядка расположения цветов в первичной и вторичной радугах<ref name="Оптика">Шаблон:Книга</ref>. Ньютон выделял семь цветов: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, синий, индиго и фиолетовый<ref name="Оптика" />.

Хотя многоцветный спектр радуги непрерывен, во многих странах в нём выделяют 7 или 6 (например, в англоязычных странах<ref>Шаблон:Cite web</ref>) цветов. Считают, что первым выбрал число 7 Ньютон.

Мнемонические высказывания

Файл:WhereRainbowRises.jpg

Радуга вблизи

Цвета в радуге расположены в последовательности, соответствующей спектру видимого света. В русском языке существуют мнемонические фразы для её запоминания в порядке от красного (видимый свет с наибольшей длиной волны) до фиолетового (видимый свет с наименьшей длиной волны):

• Как однажды Жак-звонарь головой свалил фонарь<ref>Джеймс Джойс. «Улисс». Том II Шаблон:Wayback в библиотеке Google</ref>, или Как Однажды Жак Звонарь Городской Сломал Фонарь.
• Каждый охотник желает знать, где сидит фазан.

Фразы являются акростихом<ref name="psy">Шаблон:Книга</ref>, где начальная буква каждого слова соответствует начальной букве названия определённого цвета.

• Каждый — красный
• Охотник — оранжевый
• Желает — жёлтый
• Знать — зелёный
• Где — голубой
• Сидит — синий
• Фазан — фиолетовый

В английском языке используется акроним Шаблон:Lang-en2, состоящий из начальных букв цветов.

Радуга в истории, мифологии и культуре

Файл:Rubens-Landscape.with.Rainbow1632-1635.jpg

Двойная радуга в ландшафте, картина Питера Рубенса

Йозеф Антон Кох. «Героический ландшафт с радугой» (1805)

• В скандинавской мифологии радуга — это мост Биврёст, соединяющий Мидгард (мир людей) и Асгард (мир богов); красная полоса радуги — вечный огонь, который безвреден для Асов, но сожжёт любого смертного, который попытается подняться по мосту. Охраняет Биврёст Ас Хеймдалль.
• В древнеиндийской мифологии — лук Индры, бога грома и молнии.
• В древнегреческой мифологии — дорога Ириды, посланницы между мирами богов и людей.
• В армянской мифологии радуга — это пояс Тира (первоначально — бог солнца, позже — бог письменности, искусств и наук).
• По славянским поверьям, радуга пьёт воду из озёр, рек и морей, которая потом проливается дождём. Иногда она заглатывает вместе с водою рыб и лягушек, поэтому порою они падают с неба. Появление радуги предвещало несчастье, а пройдя под радугой, мужчина станет женщиной, а женщина — мужчиной<ref>Шаблон:Книга</ref>.
• В мифологии австралийских аборигенов Радужный змей считается покровителем воды, дождя и шаманов.
• Ирландский лепрекон прячет горшок золота в месте, где радуга коснулась земли.
• В арабской мифологии радуга символизировала лук КузахаШаблон:Уточнить, хадисы боролись с этим представлением, объявляя радугу «луком Аллаха»<ref>Шаблон:ВТ-ЕЭБЕ</ref><ref>Хадис № 1025</ref>. В мифологии андийцев радуга — лук бога-громовержца ЦIоба или «небесная сабля»; хотя предполагается, что ЦIоб молниями (стрелами, саблей) убивал грешников, радуга ассоциировалась с благом и добром<ref>Шаблон:Cite web</ref>.
• В Коране (23:17<ref>Мы возвели над вами семь путей,
  И никогда творенья эти
  (Ни на единый миг)
  Не лишены опеки Нашей</ref>) радуга названа «семью путями», которыми человек возвращается к Аллаху после смерти<ref>Шаблон:Cite web</ref>, Шаблон:Нет АИ 2. Шаблон:Нет АИ 2, в талмудическом иудаизме запрещено пристально рассматривать радугу (Талмуд, Хагига 16 а)<ref>Шаблон:ЭЕЭ</ref><ref>Шаблон:Cite web</ref>.
• В Библии радуга появилась после всемирного потопа как символ прощения человечества, союза Бога и человечества (в лице либо через Ноя) и того, что потопа никогда больше не будет (Шаблон:Библия): «Я полагаю радугу Мою в облаке, чтоб она была знамением завета между Мною и между землёю. И будет, когда сгущу Я тучи над землёю, покажется радуга в облаке».
• В японской мифологии боги Идзанаги и Идзанами стояли на небесном мосту, окуная с него в море копьё, капли с которого стали японскими островами.
• В книге Фрэнка Баума «Удивительный волшебник из страны Оз» и в снятом по ней фильме девочка Дороти, пройдя под радугой, попадает в Волшебную страну.

Связанные термины

• Ирис — цветок с богатой гаммой цветов;
• Иридий — металл, цвета соединений которого дают практически полную радугу;
• Радужная оболочка глаза по-латыни «ирис»;
• Ирисовая диафрагма напоминает радужную оболочку глаза;
• Присутствует в названиях музыкальных групп (к примеру, Шаблон:Lang-en2).

Радуга как символ

• Семицветная радуга изображена на флаге Еврейской автономной области.
• Корабли всемирной природоохранной организации «Гринпис» носят название Шаблон:Lang-en2 (Шаблон:Lang-ref).
• В 1970-х годах семицветный радужный флаг стал символом движения коренных народов Южной Америки в Боливии, Перу, Чили и Эквадоре. Он также является официальным флагом перуанского города Куско.
• В 1978 году радужный флаг (как правило, шестицветный, без голубого цвета) был впервые использован на гей-прайде в Сан-Франциско как символ поддержки прав ЛГБТ-сообщества<ref name="Флаг">Symbols Шаблон:Webarchive. // An Encyclopedia of Gay, Lesbian, Bisexual, Transgender, and Queer CultureШаблон:Ref Шаблон:V</ref>.

См. также

• Глория
• Округло-горизонтальная дуга
• Призма (оптика)
• Туманная радуга
• Цвет
• Rätsel

Литература

На русском языке

• Афанасьев А. Н. Народные поэтические представления радуги // Филологические записки. 1865.
• Нуссенцвейг X. Теория радуги // Успехи физических наук, 1978.— т.125, вып.7. (Перевод из Nussenzveig, H. Moyses, «The Theory of the Rainbow», Scientific American, 236 (1977), 116.
• Шаблон:Книга
• Тарасов Л. В. Тарасова А. Н. Беседы о преломлении света, М.: Наука, 1982. 176 с., серия Библиотечка «Квант», выпуск 18.
• Шаблон:Книга

На английском языке

• Robert Greenler Rainbows, Halos, and Glories.— 1980 ISBN 0-521-38865-1
• Raymond L. Lee and Alastair B. Fraser, The Rainbow Bridge: Rainbows in Art, Myth and Science, (2001) Penn. State University Press and SPIE Press ISBN 0-271-01977-8
• David K. Lynch & William Livingston, Color and Light in Nature, 2nd edition (2001) ISBN 0-521-77504-3
• Minnaert M. G. J. Light and Color in the Outdoors, 1995 ISBN 0-387-97935-2
• Minnaert M. The Nature of Light and Color in the Open Air. 1973 ISBN 0-486-20196-1
• Naylor, John, Out of the Blue, 2002, ISBN 0-521-80925-8
• Bleicher, Steven (2004) Contemporary Color: Theory & Use p6. Delmar. ISBN 1-4018-3740-9: «However, most people can only discern six of these hues; they have trouble telling the difference between indigo and violet.»

Ссылки

На русском языке

• Свет И Цвет
• Этимология и семантика слова 'радуга'
• Рене Декарт «О радуге»
• Хаскелевич Д.-Б. Оптико-мистический феномен радуги (Ноев Завет в толковании Каббалы)

На английском языке

• About rainbows
• Supernumerary and Multiple Rainbows
• Spectacular rainbow at Elam Bend (McFall, Missouri)
• Finding and Photographing rainbow
• Kamal Al-Din Al-Farisi’s Explanation of the Rainbow
• Creating Circular and Double Rainbows! — видео рассказывает основы физики радуги, показана искусственная радуга ночью, двойная радуга и круговая.