Короткая причинная формула. Солнечный свет входит в капли воды, преломляется, частично отражается внутри и преломляется при выходе. Разные цвета достигают глаза с разных направлений; множество капель перед наблюдателем образует цветную дугу при подходящем положении Солнца.
От капли к дуге: пять шагов
- Нужны свет, капли и наблюдатель. Обычно яркая радуга видна, когда Солнце находится за спиной, а освещённые капли дождя — впереди. Капли могут оставаться в воздухе и после того, как дождь у наблюдателя закончился; само слово «после» не объясняет явление. Если между Солнцем и каплями плотное облако перекроет свет, нужных лучей не будет. Если капель нет в подходящей части неба, одна лишь солнечная погода тоже не создаст радугу.
- На входе в каплю свет меняет направление. Белый солнечный свет включает непрерывный набор длин волн. На границе воздуха и воды луч преломляется; направления разных длин волн немного различаются. Это разделение называют дисперсией. Капля не окрашивает свет сама и не хранит внутри семь готовых цветных слоёв. Для наглядности можно проследить красный и фиолетовый лучи, но между ними остаются промежуточные оттенки.
- Часть света отражается внутри. Луч, прошедший через воду, достигает дальней внутренней поверхности капли. Некоторая доля света выходит наружу другим путём, а доля отражается и идёт обратно к передней стороне. Для основной радуги важно одно такое внутреннее отражение. Слово «отражение» здесь не означает зеркало, поставленное в небе: отражение происходит на границе воды и воздуха внутри каждой отдельной капли.
- На выходе луч преломляется снова. Пересекая границу воды и воздуха, отражённый луч ещё раз меняет направление. В результате лучи разных цветов покидают каплю под несколько разными углами. До глаза доходят лишь те лучи, которые после своего пути направлены именно к наблюдателю. От одной капли глаз получает не всю видимую дугу; разные её места складываются из света множества разных капель.
- Геометрия складывает цветную дугу. Для данного положения Солнца и глаза подходящие капли располагаются вдоль определённых направлений вокруг точки, противоположной Солнцу. Поэтому наблюдатель видит дугу, а с высокой точки при подходящих условиях возможен почти полный круг. Когда Солнце высоко, видимая над горизонтом часть основной радуги становится меньше. Если человек сделает шаг, набор капель, посылающих свет в его глаза, изменится; радуга не является неподвижной раскрашенной лентой в одном месте.
Схема: как свет идёт через капли к глазу
С чем часто путают
С цветным предметом в облаке. Радуга — видимый результат направления световых лучей от капель к конкретному наблюдателю. Её нельзя найти как твёрдый объект за лесом или на краю поля. Двое рядом могут видеть похожую дугу, но свет в их глаза приходит от слегка разных наборов капель. Это поясняет, почему наблюдатель важен не меньше дождя и Солнца.
С семью жёсткими полосами. Названия семи цветов удобны для обучения, но физический спектр непрерывен. Границы между оттенками задаются языком и восприятием, а не семью отдельными «красками» внутри воды. Вторая, более слабая дуга иногда бывает видна снаружи основной; она связана с другим путём лучей и двумя внутренними отражениями. Это уточнение не меняет основного ответа и не требует новой стартовой статьи.
С гало. Световой круг или дуги вокруг Солнца и Луны могут возникать при прохождении света через ледяные кристаллы. Для обычной дождевой радуги важны жидкие капли и положение Солнца позади наблюдателя. По одной эффектной фотографии без положения светила и условий нельзя надёжно назначать любому цветному кольцу название «радуга». Подробная классификация оптических явлений выходит за границы этой статьи.
Почему дуга видна только в части неба. Подходящие капли могут занимать почти круг вокруг направления, противоположного Солнцу, но с земли нижнюю часть обычно закрывает поверхность или там просто нет освещённых капель. Поэтому привычная дуга — видимая часть геометрического круга, а не «половина радуги», физически обрезанная внутри капли. Если наблюдатель стоит высоко и капли есть ниже него, круг может открыться шире. При этом каждая точка видимого кольца всё равно складывается из света многих капель, а не из одной гигантской капли.
Почему цвета идут в определённом порядке. Разные длины волн преломляются неодинаково, поэтому при одинаковом положении Солнца свет каждого оттенка приходит к глазу от капель, расположенных в несколько иных направлениях. Это создаёт закономерное расположение цветов в основной дуге. Упорядоченность не превращает переходы в резкие границы: соседние оттенки смешиваются, а видимый цвет зависит ещё и от яркости фона, размера капель и зрения наблюдателя.
Границы объяснения
Дождь не гарантирует радугу: нужны одновременно освещение, капли на подходящем участке неба и правильная геометрия взгляда. Радуга может быть слабой или невидимой на фоне яркого неба. Эта схема объясняет основную солнечную радугу, а не рассчитывает цвет и яркость конкретной фотографии. Приблизительные углы в схеме относятся к выбранным цветам и основной дуге, не ко всем лучам или условиям. Вклад размера капель, поляризации и интерференции в учебной модели опущен. Текст не сообщает текущую погоду и не обещает, что радуга появится в определённое время.