Семёрка часть 13

СЕМЁРКА ЧАСТЬ 13

Радуга
 
Радуга — это оптическое явление, вызванное преломлением, внутренним отражением и дисперсией света в каплях воды, в результате чего в небе появляется непрерывный спектр света.[1] Радуга имеет форму разноцветной круговой дуги.[2] Радуги, вызванные солнечным светом, всегда появляются в той части неба, которая находится прямо напротив солнца. Радуги могут возникать из-за различных форм содержания воды в воздухе. К ним относятся не только дождь, но и туман, брызги и переносимая по воздуху роса.
Радуга может быть полной окружностью. Однако наблюдатель обычно видит только дугу, образованную освещёнными каплями над землёй,[3] с центром на линии, соединяющей Солнце и глаз наблюдателя.
В первичной радуге внешняя часть дуги окрашена в красный цвет, а внутренняя — в фиолетовый. Такая радуга возникает из-за преломления света при попадании в каплю воды, затем он отражается от внутренней поверхности капли и снова преломляется при выходе из неё.
При двойной радуге за основной дугой видна вторая дуга, цвета которой расположены в обратном порядке: красный находится на внутренней стороне дуги. Это происходит из-за того, что свет дважды отражается от внутренней поверхности капли, прежде чем покинуть её.
Видимость
Радугу можно увидеть, когда в воздухе есть капли воды и солнечный свет светит позади наблюдателя под небольшим углом высоты. Поэтому радугу обычно можно увидеть на западном небе утром и на восточном небе ранним вечером. Самые впечатляющие радуги появляются, когда половина неба ещё тёмная из-за дождя облаков, а наблюдатель находится в месте с ясным небом в направлении Солнца. В результате получается яркая радуга, контрастирующая с тёмным фоном. В таких условиях хорошей видимости часто можно увидеть более широкую, но менее яркую вторичную радугу. Она находится примерно в 10° от первичной радуги, и цвета в ней расположены в обратном порядке.
Радужный эффект также часто наблюдается вблизи водопадов или фонтанов. Кроме того, этот эффект можно создать искусственно, распылив капли воды в воздухе в солнечный день. В редких случаях в ясные лунные ночи можно увидеть лунную радугу, или ночную радугу. Поскольку человеческое зрительное восприятие плохо различает цвета при слабом освещении, лунные радуги часто кажутся белыми.[4]
Сфотографировать весь полукруг радуги в одном кадре сложно, так как для этого потребуется угол обзора в 84°. Для 35-миллиметровой камеры потребуется широкоугольный объектив с фокусным расстоянием 19 мм или меньше. Теперь, когда доступно программное обеспечение для сшивания нескольких изображений в панораму, можно довольно легко создать изображение всей дуги и даже вторичных дуг из серии накладывающихся друг на друга кадров.
С высоты, например из самолёта, иногда можно увидеть радугу в виде полного круга. Это явление можно спутать с солнечным ореолом, но ореол обычно намного меньше и охватывает всего 5–20°.
Небо внутри первичной радуги ярче, чем небо за пределами дуги. Это происходит потому, что каждая капля дождя представляет собой сферу и рассеивает свет по всему круглому диску в небе. Радиус диска зависит от длины волны света: красный свет рассеивается под большим углом, чем синий. На большей части диска рассеянный свет всех длин волн накладывается друг на друга, в результате чего получается белый свет, который делает небо ярче. На краю радуги зависимость рассеяния от длины волны приводит к появлению радуги.[5]
Свет первичной радужной дуги на 96 % поляризован по касательной к дуге.[6] Свет второй дуги поляризован на 90 %.
Количество цветов в спектре или радуге
См. также: Спектральный цвет
Для цветов, воспринимаемых человеческим глазом, наиболее часто упоминаемой и запоминающейся последовательностью является семичастная система Исаака Ньютона — красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, синий, индиго и фиолетовый,[7][a] запоминающаяся с помощью мнемонического приёма Ричард Йоркский напрасно сражался или как имя вымышленного персонажа (Рой Г. Бив). Иногда этот акроним произносят в обратном порядке — VIBGYOR. В более современной трактовке радугу часто делят на красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий и фиолетовый цвета.[9] Кажущаяся дискретность основных цветов — это артефакт человеческого восприятия, а точное количество основных цветов — в некоторой степени произвольный выбор.
Ньютон, который признавал, что его зрение не отличалось особой остротой в распознавании цветов,[10] первоначально (в 1672 году) разделил спектр на пять основных цветов: красный, жёлтый, зелёный, синий и фиолетовый. Позже он добавил оранжевый и индиго, получив семь основных цветов по аналогии с количеством нот в музыкальной гамме.[7][b][11] Ньютон решил разделить видимый спектр на семь цветов, основываясь на убеждениях древнегреческих софистов, которые считали, что существует связь между цветами, музыкальными нотами, известными объектами в Солнечной системе и днями недели.[12][13] Исследователи отмечают, что то, что Ньютон в то время считал «синим», сегодня считалось бы голубым, а то, что Ньютон называл «индиго», сегодня назвали бы синим. [14][15][16][17]
Первые цвета Ньютона Красный Желтый Зеленый Синий Фиолетовый
Поздние работы Ньютона Красный Оранжевый Желтый Зеленый Синий Индиго Фиолетовый
Современная интерпретация Красный Оранжевый Желтый Зеленый Голубой Синий Фиолетовый
Цветовая гамма радуги отличается от спектра, а цвета менее насыщенные. В радуге наблюдается спектральное размытие, поскольку для каждой конкретной длины волны существует распределение углов выхода, а не один неизменный угол.[18] Кроме того, радуга — это размытая версия дуги, получаемой от точечного источника, поскольку диаметром солнечного диска (0,5°) нельзя пренебречь по сравнению с шириной радуги (2°). Таким образом, количество цветовых полос в радуге может отличаться от количества полос в спектре, особенно если капли очень большие или очень маленькие. Следовательно, количество цветов в радуге может быть разным. Однако если слово радуга используется неточно для обозначения спектра, то речь идёт о количестве основных цветов в спектре.
Кроме того, у радуги есть полосы за пределами красного и фиолетового в соответствующих ближних инфракрасных и ультрафиолетовых областях; однако эти полосы не видны человеческому глазу. В радуге присутствуют только частоты из этих областей, близкие к видимому спектру, поскольку вода и воздух становятся всё более непрозрачными для этих частот, рассеивая свет. Ультрафиолетовую полосу иногда можно увидеть на камерах с чёрно-белой плёнкой.[19]
Вопрос о том, все ли видят в радуге семь цветов, связан с идеей лингвистической относительности. Высказывались предположения, что восприятие радуги универсально.[20][21] Однако более поздние исследования показывают, что количество различимых цветов и их названия зависят от языка, на котором говорит человек. Люди, в языке которых меньше слов для обозначения цветов, видят меньше отдельных цветовых полос.[22]
Объяснение

Лучи света попадают на каплю дождя с одного направления (обычно это прямая линия, идущая от Солнца), отражаются от задней поверхности капли и расходятся в стороны, покидая каплю. Свет, выходящий из радуги, распространяется под широким углом, достигая максимальной интенсивности под углами 40,89–42°. (Примечание: от 2 до 100 % света отражается от каждой из трёх поверхностей, в зависимости от угла падения. На этой схеме показаны только пути, имеющие отношение к радуге.)

При попадании в каплю дождя белый свет распадается на разные цвета из-за дисперсии, в результате чего красный свет преломляется меньше, чем синий.
Когда солнечный свет попадает на каплю дождя, часть света отражается, а остальная часть проникает внутрь капли. Свет преломляется на поверхности капли. Когда этот свет попадает на обратную сторону капли, часть его отражается от обратной стороны. Когда отражённый свет снова достигает поверхности, часть его снова отражается, а часть преломляется при выходе из капли. (Свет, который отражается от капли, выходит с обратной стороны или продолжает отражаться внутри капли после второго столкновения с поверхностью, не влияет на формирование первичной радуги.) В результате часть падающего света отражается под углом от 0° до 42°, при этом наиболее интенсивный свет отражается под углом 42°.[23] Этот угол не зависит от размера капли, но зависит от её показателя преломления. У морской воды более высокий показатель преломления, чем у дождевой, поэтому радиус «радуги» в морских брызгах меньше, чем у настоящей радуги. Это видно невооружённым глазом по смещению этих дуг. [24]
Причина, по которой отражённый свет наиболее интенсивен под углом около 42°, заключается в том, что это точка перегиба: свет, попадающий на крайнее кольцо капли, отражается под углом менее 42°, как и свет, попадающий на каплю ближе к её центру. Существует круговая полоса света, которая отражается под углом около 42°. Если бы Солнце было лазером, излучающим параллельные монохроматические лучи, то яркость (светимость) радуги при этом угле была бы стремиться к бесконечности, если не учитывать интерференционные эффекты (см. Каустика (оптика)). Но поскольку яркость Солнца конечна, а его лучи не параллельны (они охватывают примерно полградуса неба), яркость не стремится к бесконечности. Кроме того, степень преломления света зависит от его длины волны и, следовательно, от его цвета. Этот эффект называется дисперсией. Синий свет (с меньшей длиной волны) преломляется под большим углом, чем красный, но из-за отражения световых лучей от задней поверхности капли синий свет выходит из капли под меньшим углом к исходному лучу белого света, чем красный. Из-за этого угла синий цвет виден внутри дуги первичной радуги, а красный — снаружи. В результате разные части радуги не только окрашиваются в разные цвета, но и становятся менее яркими. («Радуга», образованная каплями жидкости без дисперсии, была бы белой, но ярче обычной радуги.)
Свет, падающий на каплю дождя с обратной стороны, не подвергается полному внутреннему отражению, и большая часть света выходит с обратной стороны. Однако свет, выходящий с обратной стороны капли дождя, не создаёт радугу между наблюдателем и Солнцем, потому что спектры, излучаемые с обратной стороны капли дождя, не имеют максимума интенсивности, как у других видимых радуг, и поэтому цвета смешиваются, а не образуют радугу.[25]
Радуга не существует в каком-то одном конкретном месте. Существует множество радуг, но увидеть можно только одну, в зависимости от того, с какой точки смотрит наблюдатель, как капли света, освещённые солнцем. Все капли дождя преломляют и отражают солнечный свет одинаково, но только свет от некоторых капель достигает глаз наблюдателя. Этот свет и составляет радугу для наблюдателя. Вся система, состоящая из солнечных лучей, головы наблюдателя и (сферических) капель воды, обладает осевой симметрией относительно оси, проходящей через голову наблюдателя и параллельной солнечным лучам. Радуга изогнута, потому что все капли дождя, расположенные под прямым углом между наблюдателем, каплей и Солнцем, находятся на конусе, направленном на Солнце, с наблюдателем на вершине. Основание конуса образует круг под углом 40–42° к линии, соединяющей голову наблюдателя с его тенью, но 50 % или более этого круга находится за горизонтом, если только наблюдатель не находится достаточно высоко над поверхностью земли, чтобы видеть его целиком, например в самолёте (см. ниже).[26][27] Кроме того, наблюдатель, находящийся в правильном месте, может увидеть весь круг в брызгах фонтана или водопада.[28] И наоборот, в более низких широтах около полудня (в частности, когда высота Солнца над горизонтом превышает 42 градуса) радуга не будет видна на фоне неба.[29][30][31][требуется более надёжный источник]
Математический вывод
Определение углов
Можно определить воспринимаемый угол, под которым видна радуга, следующим образом.[32]
Если взять сферическую каплю дождя и обозначить воспринимаемый угол радуги как 2;, а угол внутреннего отражения как 2;, то угол падения солнечных лучей относительно нормали к поверхности капли будет равен 2; ; ;. Поскольку угол преломления равен ;, закон Снеллиуса даёт
sin(2; ; ;) = n sin ;,
где n = 1,333 — показатель преломления воды (для зелёного света). Решая уравнение относительно ;, получаем
; = 2; ; arcsin(n sin ;).
Радуга возникает там, где угол ; имеет экстремум по отношению к углу ;, то есть d;/d; = 0. Решая относительно ;, получаем Подставляя в предыдущее уравнение для ;, получаем 2;max ; 42° в качестве радиального угла радуги.
Для красного света (длина волны 750 нм, n = 1,330 согласно дисперсионному соотношению воды) угол раствора составляет 42,5°; для синего света (длина волны 350 нм, n = 1,343) угол раствора составляет 40,6°.
Вариации
Двойные радуги
«Двойная радуга» перенаправляется сюда. Чтобы узнать о других значениях, см. Двойная радуга.
Двойная радуга с полосой Александра видна между основным и дополнительным бантами. Также обратите внимание на ярко выраженные дополнительные банты внутри основного банта.
Часто можно увидеть вторичную радугу, расположенную под большим углом, чем первичная радуга. Термин двойная радуга используется, когда видны и первичная, и вторичная радуги. Теоретически все радуги являются двойными, но поскольку вторичная радуга всегда слабее первичной, на практике её можно не заметить.
Вторичная радуга возникает из-за двойного отражения солнечного света внутри капель воды. Технически центр вторичной радуги находится на самом солнце, но поскольку её угловой размер превышает 90° (около 127° для фиолетового цвета и 130° для красного), она видна на той же стороне неба, что и первичная радуга, примерно в 10° от неё под видимым углом 50–53°. Из-за того, что «внутренняя» часть вторичного гало находится «выше» относительно наблюдателя, цвета кажутся перевёрнутыми по сравнению с первичным гало.
Вторичная радуга слабее первичной, потому что при двух отражениях свет рассеивается сильнее, чем при одном, а сама радуга занимает большую площадь на небе. Каждая радуга отражает белый свет внутри своих цветных полос, но в первичной радуге свет направлен «вниз», а во вторичной — «вверх».[33] Тёмная область неосвещённого неба между главным и вторичным лучами называется полосой Александра в честь Александра Афродисийского, который первым её описал.[34]
Двойная радуга
Первичная радуга — это «двойник».
В отличие от двойной радуги, состоящей из двух отдельных концентрических радужных дуг, очень редкая двойная радуга выглядит как две радужные дуги, расходящиеся от одной точки.[35] Цвета во второй радуге расположены в том же порядке, что и в первой, а не наоборот, как во вторичной радуге. Также может присутствовать «обычная» вторичная радуга. Двойные радуги могут выглядеть похоже, но их не следует путать с дополнительными полосами. Эти два явления можно различить по цветовому спектру: дополнительные полосы имеют приглушённые пастельные оттенки (в основном розовый, фиолетовый и зелёный), в то время как двойная радуга имеет тот же спектр, что и обычная радуга. Считается, что причиной появления двойной радуги является сочетание капель воды разного размера, падающих с неба. Из-за сопротивления воздуха капли дождя при падении сплющиваются, и это особенно заметно на крупных каплях. Когда два ливня с каплями разного размера сливаются в один, каждая из радуг немного отличается от другой, и они могут соединиться, образовав двойную радугу.[36] Численное исследование методом трассировки лучей показало, что двойную радугу на фотографии можно объяснить смешением 0Капли размером 40 и 0,45 мм. Эта небольшая разница в размере капель привела к небольшой разнице в уплощении формы капель и к значительной разнице в уплощении вершины радуги.[37]
Между тем в природе был замечен и сфотографирован ещё более редкий случай: радуга, разделившаяся на три ветви.[38]
Радуга полного круга
Круглая радуга
Теоретически каждая радуга представляет собой круг, но с земли обычно видна только её верхняя половина. Поскольку центр радуги находится на противоположной от Солнца стороне, по мере приближения Солнца к горизонту в поле зрения попадает всё большая часть круга. Это означает, что во время заката или восхода обычно видна примерно половина круга. Чтобы увидеть нижнюю половину радуги, нужны капли воды ниже горизонта наблюдателя, а также солнечный свет, который может до них добраться. Эти условия обычно не выполняются, если наблюдатель находится на уровне земли, либо потому, что капли отсутствуют в нужном месте, либо потому, что ландшафт позади наблюдателя загораживает солнечный свет. Однако с высоты, например с крыши высокого здания или самолёта, эти условия могут быть выполнены, и можно увидеть радугу во всём её многообразии.[39][40] Как и частичная радуга, круговая радуга может иметь вторичную дугу или дополнительные дуги. [41] Полную круговую радугу можно увидеть, стоя на земле, например, распыляя воду из садового шланга и отвернувшись от солнца. [42]
Круглую радугу не следует путать с гало, которое намного меньше по диаметру и возникает в результате других оптических процессов. При определённых условиях гало и (круглая) радуга или туманный луч могут возникать одновременно. Ещё одно атмосферное явление, которое можно принять за «круглую радугу», — это ореол 22°, который возникает из-за кристаллов льда, а не из-за капель жидкой воды, и располагается вокруг Солнца (или Луны), а не напротив него.
Дополнительные радуги
Широкий динамический диапазон фотография радуги с дополнительными полосами внутри основного спектра
При определённых обстоятельствах на фиолетовом крае радуги можно увидеть одну или несколько узких слабо окрашенных полос, то есть внутри первичной радуги или, что гораздо реже, снаружи вторичной. Эти дополнительные полосы называются дополнительными радугами или дополнительными полосами; вместе с самой радугой это явление также известно как радуга-перевёртыш. Дополнительные лучи слегка отделены от основного луча, становятся всё менее яркими по мере удаления от него и имеют пастельные тона (в основном розовые, фиолетовые и зелёные оттенки), а не обычный спектральный рисунок.[43] Эффект становится заметным, когда речь идёт о каплях воды диаметром около 1 мм или меньше; чем меньше капли, тем шире становятся дополнительные лучи и тем менее насыщенными становятся их цвета.[44] Из-за того, что они образуются в мелких каплях, дополнительные полосы особенно заметны в туманных радугах.[45]
Дополнительные радуги невозможно объяснить с помощью классической геометрической оптики. Чередующиеся бледные полосы возникают из-за интерференции между лучами света, которые проходят немного разные пути и имеют немного разную длину в каплях дождя. Некоторые лучи находятся в фазе, усиливая друг друга за счёт конструктивной интерференции и создавая яркую полосу; другие находятся в противофазе на расстоянии до половины длины волны, гася друг друга за счёт деструктивной интерференции и создавая просвет. Из-за разных углов преломления лучей разного цвета интерференционные картины для лучей разного цвета немного отличаются, поэтому каждая яркая полоса имеет свой цвет, создавая миниатюрную радугу. Дополнительные радуги наиболее заметны, когда капли дождя маленькие и одинакового размера. Само существование дополнительных радуг исторически стало первым свидетельством волновой природы света, а первое объяснение дал Томас Юнг в 1804 году.[46]
Отраженная радуга, радуга-отражение
Отражение радуги (вверху) и обычная радуга (внизу) на закате
Когда над водоёмом появляется радуга, под и над горизонтом можно увидеть две дополняющие друг друга зеркальные радуги, возникающие из-за разных траекторий света. Их названия немного отличаются.
Отражённая радуга может появиться на поверхности воды ниже горизонта.[47] Солнечный свет сначала преломляется каплями дождя, а затем отражается от поверхности воды и попадает в глаза наблюдателю. Отражённую радугу часто можно увидеть, по крайней мере частично, даже в небольших лужах.
Отражающая радуга может появиться там, где солнечный свет отражается от поверхности воды, прежде чем попасть на капли дождя, если водоём большой, на всей его поверхности тихо и он находится близко к дождевой полосе. Отражающая радуга появляется над горизонтом. Она пересекается с обычной радугой на горизонте, и её дуга поднимается выше в небо, а её центр находится так же высоко над горизонтом, как центр обычной радуги — под ним. Отражение радуги обычно наиболее ярко выражено при низком положении солнца, потому что в это время его свет сильнее всего отражается от поверхности воды. По мере того как солнце опускается, обычная и отражённая радуги сближаются. Из-за сочетания этих факторов отражённая радуга видна редко.
Если отражённая и вторичная радуги возникают одновременно, можно различить до восьми отдельных дуг: обычную (не отражённую) первичную и вторичную дуги над горизонтом (1, 2) с их отражёнными аналогами под горизонтом (3, 4), а также первичную и вторичную дуги отражения над горизонтом (5, 6) с их отражёнными аналогами под горизонтом (7, 8).[48][49]
Монохромная радуга
: Монохромная радуга
Иногда ливень может начаться на рассвете или на закате, когда более короткие волны, такие как синие и зелёные, рассеиваются и практически исчезают из спектра. Дальнейшее рассеивание может происходить из-за дождя, и в результате может появиться редкая и впечатляющая монохромная или красная радуга[50]
Радуги высшего порядка
Помимо обычной первичной и вторичной радуг, могут образовываться радуги более высокого порядка. Порядок радуги определяется количеством отражений света внутри капель воды, которые её создают: одно отражение приводит к появлению радуги первого порядка или первичной радуги; два отражения создают радугу второго порядка или вторичную радугу. Чем больше внутренних отражений, тем выше порядок радуги — теоретически до бесконечности.[51] Однако с каждым внутренним отражением теряется всё больше света, и каждая последующая радуга становится всё тусклее, а значит, её всё труднее заметить. Дополнительной проблемой при наблюдении за радугами третьего порядка (или третичными) и четвёртого порядка (четвертичными) является их расположение относительно солнца (примерно под углом 40° и 45° к солнцу соответственно), из-за чего они теряются в его лучах.[52]
По этим причинам радуга в природе, имеющая порядок выше 2, редко видна невооружённым глазом. Тем не менее сообщалось о наблюдениях радуги третьего порядка в природе, а в 2011 году она была впервые достоверно сфотографирована.[53][54] Вскоре после этого была сфотографирована радуга четвёртого порядка,[55][56] а в 2014 году были опубликованы первые в истории снимки радуги пятого порядка (или квинарной) радуги.[57] Квинарная радуга частично находится в промежутке между первичной и вторичной радугами и намного слабее даже вторичной радуги. В лабораторных условиях можно создать радугу гораздо более высокого порядка. Феликс Билле (1808–1882) изобразил угловые положения радуги вплоть до 19-го порядка, назвав этот узор «розой радуг».[58][59][60] В лаборатории можно наблюдать радугу более высокого порядка, используя чрезвычайно яркий и хорошо коллимированный свет, генерируемый лазерами. В 1998 году Нг и др. сообщили о радуге до 200-го порядка, полученной с помощью аналогичного метода, но с использованием лазерного луча на ионах аргона.[61]
Третичную и четвертичную радуги не следует путать с «тройной» и «четверной» радугами — терминами, которые иногда ошибочно используют для обозначения (гораздо более распространённых) дополнительных радуг и отражённых радуг.
Радуги в лунном свете
Как и большинство атмосферных оптических явлений, радуга может быть вызвана светом не только Солнца, но и Луны. В последнем случае радуга называется лунной радугой или лунной аркой. Они намного тусклее и встречаются реже, чем солнечные радуги, и для того, чтобы их увидеть, Луна должна быть почти полной. По той же причине лунные радуги часто кажутся белыми и могут восприниматься как монохромные. Спектр полный, но человеческий глаз обычно недостаточно чувствителен, чтобы различать цвета. На фотографиях с длинной выдержкой иногда можно увидеть цвета такой радуги.[62]
Fogbow
Туманные радуги образуются так же, как и обычные, но в их формировании участвуют гораздо более мелкие капли облаков и тумана, которые сильно преломляют свет. Они почти белые, с едва заметными красными оттенками снаружи и синими внутри; часто внутри внутреннего края можно различить одну или несколько широких дополнительных полос. Цвета тусклые, потому что радуга в каждом цвете очень широкая и цвета накладываются друг на друга. Туманные радуги обычно появляются над водой, когда воздух, соприкасающийся с более холодной водой, охлаждается, но их можно увидеть где угодно, если туман достаточно редкий, чтобы сквозь него могло светить солнце, и если солнце достаточно яркое. Они очень большие — почти такие же, как радуга, и намного шире. Иногда в центре радуги появляется ореол.[63]
Туманные радуги не следует путать с ледяными ореолами, которые очень распространены по всему миру и встречаются гораздо чаще, чем радуги (любого порядка),[64] но при этом не имеют ничего общего с радугами.
Снежный Лук
Монохромный слякотный дождь, снятый ранним утром 7 января 2016 года в Вальпараисо, штат Индиана.
Слитбоу образуется так же, как и обычная радуга, за исключением того, что она возникает, когда свет проходит через падающий слитбоу (ледяные капли), а не через жидкую воду. Когда свет проходит через слитбоу, он преломляется, что приводит к этому редкому явлению. Такие явления были зафиксированы на всей территории Соединённых Штатов, а самое раннее из них, задокументированное и сфотографированное, было замечено в Ричмонде, штат Вирджиния, 21 декабря 2012 года.[65] Как и обычные радуги, они могут принимать различные формы. Так, 7 января 2016 года в Вальпараисо, штат Индиана, была зафиксирована монохромная радуга из мокрого снега.[нужна ссылка]
Окологоризонтальная и околозенитальная дуги
Окружная горизонтальная дуга (внизу) под описанным ореолом
Околозенитная и окологоризонтальная дуги — это два связанных между собой оптических явления, внешне похожих на радугу, но, в отличие от последней, возникающих в результате преломления света в шестиугольных кристаллях льда, а не в каплях жидкой воды. Это означает, что они не являются радугой, а относятся к большому семейству ореолов.
Обе дуги представляют собой ярко окрашенные кольцевые сегменты с центром в зените, но расположенные в разных частях неба: околозенитальная дуга заметно изогнута и находится высоко над Солнцем (или Луной), а её выпуклая сторона направлена вниз (создавая впечатление «перевёрнутой радуги»); окологоризонтальная дуга проходит гораздо ближе к горизонту, она более прямая и находится на значительном расстоянии под Солнцем (или Луной). У обеих дуг красная сторона обращена к Солнцу, а фиолетовая — от него. Это значит, что околозенитальная дуга красная снизу, а окологоризонтальная — сверху.[66][67]
Окологоризонтальную дугу иногда ошибочно называют «огненной радугой». Чтобы увидеть её, Солнце или Луна должны находиться на высоте не менее 58° над горизонтом, что делает её редким явлением в высоких широтах. Околозенитальную дугу, видимую только при высоте Солнца или Луны менее 32°, можно наблюдать гораздо чаще, но её часто упускают из виду, поскольку она появляется почти прямо над головой.
Внеземные радуги
Основная статья: Внеземные небеса
Было высказано предположение, что радуга может существовать на Сатурне и его спутнике Титане, поскольку там есть влажная поверхность и насыщенные влагой облака. Радиус радуги на Титане будет составлять около 49°, а не 42°, потому что в этой холодной среде вместо воды используется метан. Хотя видимые радуги могут быть редкостью из-за туманного неба Титана, инфракрасные радуги могут быть более распространённым явлением, но для их наблюдения потребуются инфракрасные очки ночного видения. [68]
Радуги из разных материалов
Капли (или сферы), состоящие из материалов с другим показателем преломления, чем у обычной воды, создают радугу с другим углом преломления. Поскольку у солёной воды показатель преломления выше, радуга от морских брызг не совпадает с обычной радугой, если смотреть на неё с того же места.[69] Крошечные пластиковые или стеклянные шарики могут использоваться в дорожной разметке в качестве светоотражателей, чтобы повысить видимость для водителей в тёмное время суток. Из-за гораздо более высокого показателя преломления радуга, наблюдаемая на таких шариках, имеет заметно меньший радиус.[70] Такие явления можно легко воспроизвести, распыляя в воздухе жидкости с разными показателями преломления, как показано на фотографии.
Смещение радуги из-за разницы в показателях преломления может достигать определённого предела. Для материала с показателем преломления больше 2 не существует угла, при котором возникает радуга первого порядка. Например, показатель преломления алмаза составляет около 2,4, поэтому в алмазных сферах радуга будет начинаться со второго порядка, а первый порядок будет отсутствовать. В общем случае, когда показатель преломления превышает число n + 1, где n — натуральное число, критический угол падения для n раз внутренне отражённых лучей выходит за пределы области  . В результате радуга n-го порядка сжимается до антисолнечной точки и исчезает.
Научная история
Древнегреческий учёный Аристотель первым обратил серьёзное внимание на радугу.[71] По словам Рэймонда Л. Ли и Алистера Б. Фрейзера, «несмотря на многочисленные недостатки и отсылки к пифагорейской нумерологии, качественное объяснение Аристотеля отличалось изобретательностью и относительной последовательностью, которые не имели себе равных на протяжении веков. После смерти Аристотеля многие теории о радуге строились на его работах, хотя и не все они были некритичными».[72]
В «Естественных вопросах» (ок. 65 г. н. э.) римский философ Сенека Младший подробно рассматривает различные теории образования радуги, в том числе теорию Аристотеля. Он замечает, что радуга всегда появляется напротив Солнца, что она возникает в воде, разбрызганной гребцом, в воде, которую суконщик выплёвывает на одежду, натянутую на колышки, или в воде, вылетевшей через небольшое отверстие в лопнувшей трубе. Он даже говорит о радуге, которую создают маленькие стеклянные стержни (virgulae), предвосхищая эксперименты Ньютона с призмами. Он рассматривает две теории: согласно одной, радуга возникает из-за того, что Солнце отражается в каждой капле воды, согласно другой — из-за того, что Солнце отражается в облаке, имеющем форму вогнутого зеркала; он отдаёт предпочтение второй теории. Он также рассуждает о других явлениях, связанных с радугой: загадочных «виргах» (столбах), ореолах и паргелиях.[73]
По словам Хусейна Гази Топдемира, арабский физик и учёный-энциклопедист Ибн аль-Хайсам пытался дать научное объяснение феномену радуги. В своей «Макале фи аль-Хала ва Кавс Кузах» («О радуге и ореоле») аль-Хайсам «объяснил образование радуги как отражение, возникающее в вогнутом зеркале. Если лучи света, идущие от удалённого источника света, отражаются в какой-либо точке на оси вогнутого зеркала, то в этой точке они образуют концентрические окружности. Если предположить, что солнце — это удалённый источник света, глаз наблюдателя — точка на оси зеркала, а облако — отражающая поверхность, то можно заметить, что на оси образуются концентрические окружности. [нужна ссылка] Он не смог это проверить, потому что его теория о том, что «солнечный свет отражается от облака, прежде чем попасть в глаз», не позволяла провести экспериментальную проверку.[74] Это объяснение было повторено Аверроэсом,[требуется ссылка] и, хотя оно было неверным, послужило основой для правильных объяснений, которые позже дали Камаль ад-Дин аль-Фариси в 1309 году и, независимо от него, Теодорих Фрайбергский[требуется ссылка] — оба они изучали «Книгу по оптике» аль-Хайсама.[75]
В династии Сун в Китае (960–1279) эрудит учёный-чиновник по имени Шэнь Ко выдвинул гипотезу — как до него Сунь Сикун, — что радуга возникает в результате взаимодействия солнечного света с каплями дождя в воздухе.[76] Пол Донг пишет, что объяснение Шэнем радуги как явления атмосферного преломления «в целом согласуется с современными научными принципами».[77]
Камаль ад-Дин аль-Фариси: построение первичной и вторичной радуги, около 1300 года. Из «Пересмотра оптики Ибн аль-Хайсама» (Tanq;; al-Man;;ir li-;aw;'l-Ab;;r wa'l-Ba;;;ir). Источник точечного света находится сверху. Частичное объяснение: лучи красного и чёрного цветов создают первичную и вторичную радугу соответственно. Библиотека Лейденского университета рукопись.
По словам Надера Эль-Бизри, персидский астрономКутб ад-Дин аш-Ширази (1236–1311) дал довольно точное объяснение феномену радуги. Его ученик Камаль ад-Дин аль-Фараби (1267–1319) дал более математически обоснованное объяснение радуги. Он «предложил модель, в которой луч солнечного света дважды преломляется в капле воды, а между двумя преломлениями происходит одно или несколько отражений». Был проведён эксперимент с наполненной водой стеклянной сферой, и аль-Фариси показал, что в его модели можно не учитывать дополнительные преломления, вызванные стеклом.[74][c] Как он отметил в своём «Китаб Танких аль-Маназир» («Пересмотр оптики»), аль-Фариси использовал большой прозрачный стеклянный сосуд в форме сферы, наполненный водой, чтобы создать экспериментальную крупномасштабную модель капли дождя. Затем он поместил эту модель в камеру-обскуру с контролируемой апертурой для проникновения света. Он направил свет на сферу и в результате нескольких экспериментов и подробных наблюдений за отражением и преломлением света пришёл к выводу, что цвета радуги — это явление разложения света.
В Европе «Книга по оптике» Ибн аль-Хайсама была переведена на латынь и изучена Робертом Гроссетом. Его работу о свете продолжил Роджер Бэкон, который в своём «Великом труде» 1268 года описал эксперименты со светом, проходящим через кристаллы и капли воды и демонстрирующим цвета радуги.[78] Кроме того, Бэкон первым рассчитал угловой размер радуги. Он утверждал, что вершина радуги не может подниматься выше 42° над горизонтом.[79] Теодорих Фрайбергский известен тем, что в 1307 году дал точное теоретическое объяснение как первичной, так и вторичной радуге. Он объяснил, как возникает первичная радуга, отметив, что «когда солнечный свет падает на отдельные капли влаги, лучи преломляются дважды (при входе и выходе) и один раз отражаются (от задней поверхности капли), прежде чем попасть в глаз наблюдателя». [80][81] Он объяснил, как возникает вторичная радуга, проведя аналогичный анализ, включающий два преломления и два отражения.
Декарта 1637 года «Рассуждение о методе» (Discours de la M;thode) это объяснение было развито. Зная, что размер капель дождя не влияет на наблюдаемую радугу, он провёл эксперимент, пропуская лучи света через большую стеклянную сферу, наполненную водой. Измерив углы, под которыми выходили лучи, он пришёл к выводу, что первичная радуга возникает из-за одного внутреннего отражения внутри капли дождя, а вторичная радуга может возникать из-за двух внутренних отражений. Он подкрепил этот вывод выводом закона преломления (впоследствии, но независимо от Снеллиуса) и правильно рассчитал углы для обоих лучей. Однако его объяснение цветов было основано на механической версии традиционной теории о том, что цвета возникают в результате модификации белого света.[82][83]
Исаак Ньютон продемонстрировал, что белый свет состоит из света всех цветов радуги, которые стеклянная призма может разделить на весь спектр цветов. Он опроверг теорию о том, что цвета возникают в результате модификации белого света. Он также показал, что красный свет преломляется меньше, чем синий, что привело к первому научному объяснению основных свойств радуги.[84] Корпускулярная теория света Ньютона не могла объяснить появление дополнительных радуг, и удовлетворительное объяснение было найдено только после того, как Томас Юнг понял, что при определённых условиях свет ведёт себя как волна и может интерферировать сам с собой.
Работа Юнга была усовершенствована в 1820-х годах Джорджем Бидделлом Эйри, который объяснил зависимость насыщенности цветов радуги от размера капель воды.[85] Современные физические описания радуги основаны на рассеянии Ми, работе, опубликованной Густавом Ми в 1908 году.[86] Развитие вычислительных методов и оптической теории продолжает способствовать более глубокому пониманию радуги. Например, Nussenzveig предлагает современный обзор.[87]
Эксперименты
Эксперименты с радугой, в которых использовались искусственные капли дождя, то есть наполненные водой сферические колбы, проводились по крайней мере с Теодориха Фрайбергского в XIV веке. Позже Декарт также изучал это явление с помощью флорентийской колбы. Эксперимент с колбой, известный как «флорентийская радуга», до сих пор часто используется в качестве наглядной и интуитивно понятной демонстрации радуги.[88][89][90] Он заключается в освещении (параллельным белым светом) наполненной водой сферической колбы через отверстие в экране. Тогда на экране появится радуга, отбрасываемая/проецируемая на экран, при условии, что экран достаточно большой. Из-за конечной толщины стенок и макроскопического характера искусственной капли дождя существует несколько незначительных отличий от естественного явления,[91][92] в том числе немного изменённые углы радуги и расщепление порядков радуги.
Очень похожий эксперимент проводится с использованием цилиндрического стеклянного сосуда, наполненного водой, или цельного прозрачного цилиндра, который освещается либо параллельно круглому основанию (то есть световые лучи остаются на одной и той же высоте при прохождении через цилиндр) [93][94] или под углом к основанию. В последнем случае углы радуги меняются по сравнению с естественным явлением, поскольку меняется эффективный показатель преломления воды (применяется показатель преломления Браве для наклонных лучей).[91][92] В других экспериментах используются небольшие капли жидкости.[59][60]
Культура и мифология
Основные статьи: Радуга в культуре и Радуга в мифологии
Смотрите также: Радужный флаг
Радуги часто встречаются в мифологии и используются в искусстве. Одно из первых литературных упоминаний о радуге встречается в Эпосе о Гильгамеше, где она появляется после потопа.[95] Радуга также упоминается в Книге Бытия как часть истории о потопе Ноева ковчега. В скандинавской мифологии радужный мост Биврёст соединяет мир людей (Мидгард) и царство богов (Асгард). Кучавира был богом радуги у муисков на территории современной Колумбии, и когда в саванне Богота заканчивались регулярные дожди, люди благодарили его, принося в жертву золото, улиток и маленькие изумруды. В некоторых формах тибетского буддизма или дзогчен упоминается радужное тело.[96] Обычно говорят, что тайник ирландского лепрекона с его горшком золота находится на конце радуги. В греческой мифологии богиня Ирида — олицетворение радуги, богиня-посланница, которая, подобно радуге, связывает мир смертных с богами посредством посланий.[97] В албанских народных поверьях радуга считается поясом богини Пренде, а согласно устному преданию, тот, кто перепрыгнет через радугу, сменит пол.[98]
В геральдике радуга состоит из 4 цветных полос (серебряной, красной, золотой и зелёной), концы которых покоятся на облаках.[99] Обобщённые примеры радуги в гербах: гербы городов Реген и Пфаймд в Баварии, Германия; Буффемона во Франции; 69-го пехотного полка (Нью-Йорк)Национальной гвардии армии США.
Радужные флаги используются уже много веков. Это был символ кооперативного движения во время крестьянской войны в Германии в 16 веке, мира в Италии и ЛГБТ-прайда и общественных движений ЛГБТ; радужный флаг как символ гордости ЛГБТ и июньского месяца гордости с тех пор, как он был разработан Гилбертом Бейкером в 1978 году.[100] В 1994 году архиепископ Десмонд Туту и президент Нельсон Мандела описали новую демократическую Южную Африку после апартеида как радужную нацию. Радуга также использовалась в логотипах технологических продуктов, включая логотип Apple Computer. Многие политические союзы, охватывающие несколько политических партий, назвали себя "Радужной коалицией".
Во многих культурах указывать на радугу считалось табу.[101]