Цвета радуги

Радуга над Ладожским озером

Ра́дуга — атмосферное оптическое и метеорологическое явление, наблюдаемое обычно после дождя или перед ним. Оно выглядит как дуга или окружность, составленная из цветов спектра. Глядя снаружи — внутрь дуги: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый. Эти семь цветов — основные названия цветов, которые принято выделять в радуге в русской культуре (возможно, вслед за Ньютоном, см. ниже), но следует иметь в виду, что на самом деле спектр непрерывен, и цвета эти в радуге переходят друг в друга с плавным изменением через множество промежуточных оттенков.

Причина радуги — преломление света

Радуга возникает из-за того, что солнечный свет испытывает преломление в капельках воды (дождь или туман), парящих в воздухе. Эти капельки по-разному отклоняют свет разных цветов (красный свет отклоняется на 137°30’, фиолетовый на 139°20’), в результате чего белый свет разлагается в спектр. Наблюдателю кажется, что из пространства по концентрическим кругам (дугам) исходит разноцветное свечение (при этом источник яркого света всегда должен находиться за спиной наблюдателя).

Преломление света при его переходе в среду с иной оптической плотностью

В яркую лунную ночь можно увидеть радугу от Луны. Поскольку человеческое зрение устроено так, что при слабом освещении наиболее чувствительные рецепторы глаза — «палочки» — не воспринимают цвета, лунная радуга выглядит белесой; чем ярче свет, тем «цветнее» радуга (в её восприятие включаются цветовые рецепторы — «колбочки»).

Центр окружности, которую описывает радуга, всегда лежит на прямой, проходящей через Солнце (Луну) и глаз наблюдателя, то есть одновременно видеть солнце и радугу без использования зеркал невозможно. Для наблюдателя на земле она обычно выглядит как часть окружности, дуга. Чем выше точка зрения, тем радуга полнее — с горы или самолёта можно увидеть и целую окружность.

Физика радуги

Ход лучей в сферической капле, образование первичной радуги

Радуга представляет собой каустику, возникающую при преломлении и отражения (внутри капли) плоскопараллельного пучка света на сферической капле. Как показано на рисунке (для монохромного пучка), отражённый свет имеет максимальную интенсивность для некоторого угла между источником, каплей и наблюдателем (и этот максимум весьма «острый», то есть большинство преломленного с отражением в капле света выходит практически точно под одним и тем же углом). Дело в том, что угол, под которым уходит из капли отраженный и преломленный в ней луч, немонотонно зависит от расстояния от падающего (первоначального) луча до оси, параллельной ему и проходящей через центр капли (эта зависимость довольно проста, и ее нетрудно явно вычислить), и зависимость эта имеет гладкий экстремум. Поэтому «количество лучей», выходящих из капли с углами, близкими к экстремальному значению угла, - «гораздо больше», чем остальных. При этом угле (который немного различается для разных показателей преломления, отвечающих разному цвету лучей) - и возникает отражение-преломление максимальной яркости, составляющее (от разных капель) радугу («яркие» лучи от разных капель образует конус с вершиной в зрачке наблюдателя и осью, проходящей через наблюдателя и Солнце).

Для одного отражения внутри капли такой угол имеет одно значение, для двух - другое, итд. Этому соответствует первичная, вторичная итд радуга. Первичная - самая яркая, она уносит из капли большинство света. Радугу большого порядка обычно не удается увидеть, так как она очень слаба.

Показатель преломления воды для более длинноволнового (красного) света меньше, чем для коротковолнового (фиолетового), поэтому красный свет меньше отклоняется при преломлении.

Схема образования радуги
1) сферическая капля, 2) внутреннее отражение, 3) первичная радуга, 4) преломление, 5) вторичная радуга, 6) входящий луч света, 7) ход лучей при формировании первичной радуги, 8) ход лучей при формировании вторичной радуги, 9) наблюдатель, 10-12) область формирования радуги.

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°.

Вторичная радуга

Иногда можно увидеть ещё одну, менее яркую радугу вокруг первой. Это вторичная радуга, в которой свет отражается в капле два раза. Во вторичной радуге «перевёрнутый» порядок цветов — снаружи находится фиолетовый, а внутри красный. Угловой радиус вторичной радуги 50—53°. Небо между двумя радугами обычно имеет заметно более тёмный оттенок.

Радуга в водяной пыли от водопада Takakkaw Falls, Канада

История исследования

Персидский астроном Qutb al-Din al-Shirazi (1236—1311), а возможно, его ученик Kamal al-din al-Farisi (1260—1320), видимо, был первым, кто дал достаточно точное объяснение феномена [1].

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». 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 нее.

Рене Декарт дал более полное объяснение радуги в 1635 году в своем труде «Метеоры» в главе «О радуге».

Двойная радуга в ландшафте, картина Питера Рубенса

Хотя многоцветный спектр радуги непрерывен, во многих странах в нём выделяют 7 цветов (однако, например, в Японии - 6). Считают, что первым выбрал число 7 Исаак Ньютон, для которого число 7 имело специальное символическое значение (по пифагорейским, богословским или нумерологическим соображениям). Причём первоначально он различал только пять цветов — красный, жёлтый, зелёный, голубой и фиолетовый, о чём и написал в своей «Оптике». Но впоследствии, стремясь создать соответствие между числом цветов спектра и числом основных тонов музыкальной гаммы, Ньютон добавил к пяти перечисленным цветам спектра ещё два.

• Довольно интересно замечание о том, что вычленению в солнечном спектре отдельных цветов может способствовать то, что на непрерывный спектр в солнечном свете наложен дискретный линейчатый спектр поглощения некоторых атомов во внешних слоях солнечной атмосферы (фраунгоферовы линии), причём некоторые из этих линий поглощения достаточно интенсивны, чтобы быть заметными, то есть способствовать впечатлению, что солнечный спектр состоит из полосок «отдельных цветов». Возможно, попытка привязать к наиболее интенсивным фраунгоферовым линиям традиционное (ньютоново) деление солнечного спектра на семь основных цветов и была бы несколько искусственной, но усиливая общее впечатление «разделенности» цветов спектра, вместе с другими психологическими механизмами, восприятие такой разделенности довольно правдоподобно могло бы быть одним из оснований традиционного деления цветов радуги.

Для запоминания их последовательности есть мнемонические фразы, первые буквы каждого слова в которых соответствуют первым буквам названия цвета (глядя сверху-вниз по радуге, снаружи-внутрь дуги: Красный, Оранжевый, Жёлтый, Зелёный, Голубой, Синий, Фиолетовый).

• Как однажды Жак-звонарь головой (городской) сломал фонарь.
• Каждый охотник желает знать, где сидит фазан.

И более современный вариант:

• Каждый оформитель желает знать, где скачать фотошоп.

Радуга повисла разноцветным коромыслом,
Опустив один конец в зелёный океан…
- М.Рысаков

Необычные радуги

Кольцевая радуга 10 июля 2005

Обычно наблюдается простая радуга-дуга, но при определённых обстоятельствах можно увидеть двойную радугу, с самолёта — перевёрнутую или даже кольцевую, а в определённых местах (в основном в США) — лунную радугу. Также известны огненные радуги, возникающие на перистых облаках.

«Harpe de Lumière», фотография Georges Noblet

Радуга в мифологии и Библии

• В скандинавской мифологии радуга — это мост Биврёст, соединяющий Мидгард (мир людей) и Асгард (мир богов).
• В древнеиндийской мифологии — лук Индры, бога грома и молнии.
• В древнегреческой мифологии — дорога Ириды, посланницы между мирами богов и людей.
• По славянским поверьям, радуга, подобно змею, пьёт воду из озёр, рек и морей, которая потом проливается дождём.
• В мифологии австралийских аборигенов Радужный змей считается покровителем воды,дождя и шаманов.
• Ирландский лепрекон прячет горшок золота в месте, где радуга коснулась земли.
• По чувашским поверьям, если пройти сквозь радугу, то можно поменять пол.
• В Библии радуга появилась после всемирного потопа как символ прощения человечества, и является символом союза (на иврите — брит) Бога и человечества (в лице Ноя) о том, что потопа никогда больше не будет (глава бейрешит).

"Я полагаю радугу Мою в облаке, чтоб она была знамением завета между Мною и между землею. И будет, когда Я наведу облако на землю, то явится радуга в облаке; и Я вспомню завет Мой, который между Мною и между вами и между всякою душею живою во всякой плоти; и не будет более вода потопом на истребление всякой плоти". (Быт.9:13-15)

Joseph Anton Koch: Героический ландшафт с радугой (1805)

Радуга и ассоциированные 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 сектора радуги,

Радуга как символ

• В XX веке флаг цветов радуги (шестицветной) стал символом гомосексуального движения.
• Семицветная радуга изображена на флаге Еврейской автономной области.
• Корабли всемирной природоохранной организации «Гринпис» носят название «Rainbow Warrior» (англ. Воин Радуги).

Литература

На русском языке

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
• M.G.J. Minnaert, «Light and Color in the Outdoors», 1995 ISBN 0-387-97935-2
• M. Minnaert, «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
• Nussenzveig, H. Moyses, "The Theory of the Rainbow, " Scientific American 236 (1977), 116
• 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.»

Внешние ссылки

На русском языке

• М.Миннарт «Свет и цвет в природе»
• Этимология и семантика слова 'радуга'
• Рене Декарт «О радуге»

На английском языке

• Supernumerary rainbows
• Lez Cowly’s Atmospheric Optics
• Reflection rainbows
• Beverly T. Lynds' About Rainbows
• Blake Ebersole’s Rainbow Science
• Supernumerary and Multiple Rainbows
• About rainbows
• Spectacular rainbow at Elam Bend (McFall, Missouri)
• Finding and Photographing rainbow
• Rainbow photography from Germany

См. также

• Лунная радуга
• Гало
• Глория
• Дождь
• Оптические явления
• Призма (оптика)
• Радуга в мифологии
• Радужный флаг
• Свет
• Спектр
• Цвет