Як утворюється веселка

 

Веселку зазвичай пояснюють простим заломленням і відбиттям сонячних променів у краплинах дощу. Світло виходить з краплі в широкому діапазоні кутів, але найбільша інтенсивність спостерігається під кутом, відповідним веселці. Видиме світло різних довжин хвиль переломлюється у краплі по-різному, тобто залежить від довжини хвилі світла (тобто кольору). Побічна веселка утворюється в результаті дворазового відбиття світла всередині кожної краплі. В цьому випадку промені світла виходять з краплі під іншими кутами, ніж ті, які дають основну веселку, і кольору в побічної веселки розташовуються в зворотній послідовності. Відстань між краплями, якими обумовлена веселка, і спостерігача ролі не грає

Зазвичай веселка — це кольорова дуга кутовим радіусом 42°, видима на тлі завіси зливового дощу або смуг падіння дощу, часто не досягають поверхні Землі. Веселка видно в стороні небозводу, протилежної Сонцю, і обов’язково при Сонці, не закрите хмарами.

Центром веселки є точка, діаметрально протилежна Сонця,— антисолярная точка. Зовнішня дуга веселки червона, за нею йде помаранчева, жовта, зелена дуги і т. д., закінчуючи внутрішньою фіолетовою.

Всі веселки — це сонячне світло, розкладений на складові компоненти і переміщений по небу таким чином, що він здається походить від частини небосхилу, протилежної тій, де знаходиться Сонце.

Наукове пояснення веселки вперше дав Рене Декарт у 1637 р. Декарт пояснив веселку на підставі законів заломлення і відображення сонячного світла в краплях випадаючого дощу.

Через 30 років Ісаак Ньютон, що відкрив дисперсію білого світла при відбитті, доповнив теорію Декарта, пояснивши, як переломлюються кольорові промені в краплях дощу.

Незважаючи на те, що теорія веселки Декарта — Ньютона створено понад 300 років тому, вона правильно пояснює основні особливості веселки: положення головних дуг, що їх кутові розміри, розташування кольорів у радугах різних порядків.

Отже, нехай паралельний пучок сонячних променів падає на краплю. Зважаючи на те, що поверхня краплі крива, у різних променів будуть різні кути падіння. Вони змінюються від 0 до 90°. Простежимо шлях променя, що проходить через краплю. Преломившись на межі повітря-вода, промінь входить в краплю і доходить до протилежної межі. Частина енергії променя, преломившись, виходить з краплі, частина, випробувавши внутрішнє віддзеркалення, знову йде всередині краплі до чергового місця відображення. Тут знову частина енергії променя, преломившись, виходить з краплі, а деяка частина, випробувавши друге внутрішнє віддзеркалення, йде через краплю і т. д. В принципі промінь може мати будь-яке число внутрішніх віддзеркалень, а заломлення у кожного променя два — при вході та при виході з краплі. Паралельний пучок променів, що падає на краплю, по виході з краплі виявляється сильно розбіжним (рис. 2). Концентрація променів, а значить, і їх інтенсивність тим більше, чим ближче вони лежать до променю, испытавшему мінімальне відхилення. Тільки мінімально відхилений промінь і близькі до нього промені володіють достатньою інтенсивністю, щоб утворити веселку. Тому цей промінь і називають променем веселки.

Кожен білий промінь, заломлюючись у краплині, розкладається в спектр, і краплі виходить пучок розходяться кольорових променів. Оскільки у червоних променів показник заломлення менше, ніж у інших кольорових променів, то вони і будуть відчувати мінімальне відхилення порівняно з іншими. Мінімальні відхилення крайніх кольорових променів видимого спектру червоних і фіолетових виявляються наступними: D1k= 137°30′ і D1ф = 139°20′. Інші кольорові промені займуть проміжні між ними положення.

Сонячні промені, які пройшли через краплю з одним, внутрішнім відбиттям, виявляються виходять від точок неба, розташованих ближче до антисолярної точці, ніж до Сонця. Тому, щоб побачити ці промені, треба встати спиною до Сонця. Відстані їх від антисолярної точки дорівнюють відповідно: 180° — 137°30′ = 42°30′ для червоних і 180° — 139°20′ = 40°40′ для фіолетових.

Чому веселка кругла? Справа в тому, що більш або менш сферична крапля, освітлена паралельним пучком променів сонячного світла, може утворити веселку тільки у вигляді кола. Пояснимо це.

Описаний шлях у краплі з мінімальним відхиленням по виході з неї проробляє не тільки той промінь, за яким ми стежили, але також і багато інші промені, що впали на краплю під таким же кутом. Всі ці промені утворюють веселку, тому їх називають променями веселки.

Скільки ж променів веселки в пучку світла, падаючого на краплю? Їх багато, по суті, вони утворюють цілий циліндр. Геометричне місце точок їх падіння на краплю це ціла окружність.

У результаті проходження через краплю і заломлення в ній циліндр білих променів перетворюється в серію кольорових воронок, вставлених одна в іншу, з центром у антисолярної точці, з відкритими розтрубами, зверненими до спостерігачеві. Зовнішня воронка червона, в неї вставлена помаранчева, жовта, далі йде зелена і т. д., закінчуючи внутрішньою фіолетовою.

Таким чином, кожна окрема крапля утворює цілу веселку!

Звичайно, веселка від однієї краплі слабка, і в природі її неможливо побачити окремо, так як крапель в завісі дощу багато. В лабораторії ж вдавалося спостерігати не одну, а кілька веселок, утворених заломленням світла в одній підвішеною крапельці води або масла при освітленні її променем лазера.

Веселка, яку ми бачимо на небозводі, мозаична — вона утворена міріадами крапель. Кожна крапля створює серію вкладених одна про іншу кольорових воронок (або конусів). Але від окремої краплі в веселку потрапляє лише один кольоровий промінь. Око спостерігача є спільною точкою, в якій перетинаються кольорові промені від безлічі крапель. Наприклад, всі червоні промені, що вийшли з різних крапель, але під одним і тим же кутом і потрапили в око спостерігача, утворюють червону дугу веселки, також і всі помаранчеві і інші кольорові промені. Тому веселка кругла.

Дві людини, які стоять поруч, бачать кожен свою веселку. Якщо ви йдете по дорозі і дивіться на веселку, вона переміщується разом з вами, будучи в кожен момент утворена заломленням сонячних променів в нових і нових краплях. Далі, краплі дощу падають. Місце впала краплі займає інша й устигає послати свої кольорові промені у веселку, за нею наступна і т. д. Поки йде дощ, ми бачимо веселку.