Исследование радуги

Размещено на http://www.allbest.ru/

Радуга

Рамдуга -- атмосферное, оптическое и метеорологическое явление, наблюдаемое при освещении Солнцем (иногда Луной) множества водяных капель (дождя или тумана). Радуга выглядит как разноцветная дуга или окружность, составленная из цветов спектра (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 следует иметь в виду, что 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, притом при наблюдении радуги (в отличие от гало) Солнце всегда находится за спиной наблюдателя, и одновременно видеть Солнце и радугу без использования оптических приспособлений невозможно. Для наблюдателя на земле радуга обычно выглядит как дуга, часть окружности, и чем выше точка наблюдения -- тем она полнее (с горы или самолёта можно увидеть и полную окружность). Когда Солнце поднимается выше 42 градусов над горизонтом, радуга с поверхности Земли не видна[1].

Физика радуги

Радуга возникает из-за того, что солнечный свет преломляется и отражается капельками воды (дождя или тумана), парящими в атмосфере. Эти капельки 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 (происходит дисперсия света). Наблюдатель, который стоит спиной к источнику света, видит разноцветное свечение, которое исходит из пространства по концентрическим окружностям (дугам).

Радуга представляет собой каустику, возникающую при преломлении и отражении (внутри капли) плоскопараллельного пучка света на сферической капле. Как показано на рисунке (для пучка монохроматического света), отражённый свет имеет максимальную интенсивность для определённого угла между источником, каплей и наблюдателем (и этот максимум весьма «острый», то есть бомльшая часть света выходит из капли, развернувшись практически точно на один и тот же угол). Дело в том, что угол, под которым уходит из капли отражённый и преломлённый ею луч, немонотонно зависит от расстояния от падающего (первоначального) луча до оси, параллельной ему и проходящей через центр капли (эта зависимость довольно проста, и её нетрудно явно вычислить), и зависимость эта имеет гладкий экстремум. Поэтому больше всего света капля разворачивает именно на этот угол и близкие к нему. При этом угле (значения которого немного различаются для разных показателей преломления, соответствующих лучам разного цвета) 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)[2].

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 большинство света. Радугу большего порядка обычно не удаётся увидеть, так как она очень слаба.



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) область формирования первичной радуги 11) область формирования вторичной радуги 12) облако капелек

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 находится фиолетовый, а 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 случается чрезвычайно редко. Считается[3], что за последние 250 лет было только пять научных сообщений о наблюдении данного феномена. Тем более удивительным представляется появление в 2011 г. сообщения о том, что удалось не только наблюдать радугу четвёртого порядка, но и зарегистрировать её на фотографии[4]. В лабораторных условиях удаётся получать радуги гораздо более высоких порядков. Так, в статье, опубликованной в 1998 г., утверждалось, что авторам, используя лазерное излучение, удалось получить радугу двухсотого порядка[5].

Свет первичной радуги поляризован на 96% вдоль направления дуги[6]. Свет вторичной радуги поляризован 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 белесой; чем ярче свет, тем «цветнее» радуга (в её восприятие включаются цветовые рецепторы -- «колбочки»).

Необычные радуги

Чаще всего наблюдается простая радуга-дуга, но известно много других оптических феноменов, которые возникают по похожим причинам или похоже выглядят. Среди них, например, туманная радуга, возникающая на 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.

Явления, ошибочно принимаемые за 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[7]. Для появления в небе перевернутой радуги (околозенитной дуги, зенитной дуги -- одного из видов гало) необходимы специфические погодные условия, характерные для Северного и Южного полюсов. Перевернутая радуга образуется за счет 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

Персидский астроном Кутб ад-Дин аш-Ширази (1236--1311), а возможно, его ученик en:Kamal al-din al-Farisi (1260--1320), видимо, был первым, кто дал достаточно точное объяснение феномена[8]. Примерно одновременно аналогичное объяснение радуги предложил и немецкий учёный Дитер Фрейбургский (англ.)русск..

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 неё.

Рене Декарт дал более полное объяснение радуги в 1635 году в своём труде «Метеоры» в главе «О радуге». В частности, он верно объяснил механизм образования вторичной радуги.

И. Ньютон в своём трактате «Оптика» дополнил теорию Декарта и де Доминиса тем, что разъяснил причины возникновения цветов радуги и объяснил противоположный порядок расположения цветов в радугах первого и второго порядков[9]. В радуге при этом И. Ньютон выделял семь цветов: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, синий, индиго и фиолетовый[9].

Двойная радуга в ландшафте, картина Питера Рубенса

Хотя многоцветный спектр радуги непрерывен, во многих странах в нём выделяют 7 или 6 (например, в англоязычных странах[10]) цветов. Считают, что первым выбрал число 7 И. Ньютон.

Радуга

Разделению солнечного спектра на отдельные цвета 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 «разделённости» цветов спектра, вместе с другими психологическими механизмами, восприятие такой разделённости довольно правдоподобно могло бы быть одним из оснований традиционного деления цветов радуги[источник не указан 634 дня].

Мнемонические фразы атмосферный радуга освещение водяной

Цвета в радуге расположены в последовательности, соответствующей спектру видимого света. В русском языке существуют такие мнемонические фразы для запоминания этой последовательности:

Как однажды Жак-звонарь головой сломал фонарь

Каждый охотник желает знать, где сидит фазан.

Фразы являются так называемым акростихом[11].

В этих фразах начальная буква каждого слова соответствует начальной букве названия определённого цвета.

Каждый -- красный

Охотник -- оранжевый

Желает -- жёлтый

Знать -- зелёный

Где -- голубой

Сидит -- синий

Фазан -- фиолетовый

Цвета во фразе перечисляются в соответствии с порядком цветов в радуге, от красного (видимый свет с наибольшей длиной волны) до фиолетового (видимый свет с наименьшей длиной волны).

Другие варианты

Существуют аналогичные по цели конструкции, в которых цвета перечисляются в такой же последовательности.

Крот овце, жирафу, зайке гладил старые фуфайки

Как-то однажды Жан-звонарь городской сломал фонарь (Как однажды Жак-звонарь головою сбил фонарь)

Каждый оформитель желает знать, где скачать фотошоп

Кем ощущается жестокий звон гонга сопротивления фатальности?

Кварк окружает жаркий занавес глюонов, создающих флюиды

Радуга в истории, мифологии и культуре

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, потом -- бог письменности, искусств и наук).

По славянским поверьям, радуга пьёт воду из озёр, рек и морей, которая потом проливается дождём. Иногда оназаглатывает вместе с водою рыб и лягушек, поэтому порою они с неба падают. Появление радуги предвещало несчастье, а если человеку удастся пройти под радугой, то мужчина станет женщиной, а женщина -- мужчиной[12].

Согласно поверьям многих африканских народов, в тех местах, где радуга касается земли, можно найти клад(драгоценные камни, раковины каури или бисер).

В мифологии австралийских аборигенов Радужный змей считается покровителем воды, дождя и шаманов.

Ирландский лепрекон прячет горшок золота в месте, где радуга коснулась земли.

В Библии радуга появилась после всемирного потопа как символ прощения человечества, союза Бога и человечества (в лице/через Ноя) и того, что потопа никогда больше не будет (Быт. 9:12-17).

«Я полагаю радугу Мою в облаке, чтоб она была знамением завета между Мною и между землею. И будет, когда сгущу Я тучи над землею, покажется радуга в облаке». Эту фразу толкователь Пятикнижия РаШИ объясняет так: «Когда сгущу Я тучи над землею», -- когда Мой Атрибут Суда будет подсказывать Мне навести на землю тьму и гибель, тогда… «появится радуга в облаке». То есть радуга показывается на небе тогда, когда человечество заслуживает гибели за свои грехи. «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». Согласно Талмуду, при жизни больших праведников нет нужды в этом знаке, так как Вселенная защищена от гибели их присутствием.

В японской мифологии боги Идзанаги и Идзанами стояли на небесном мосту, окуная с него копье, капли с которого стали островами.

Изображение радуги было личной эмблемой Екатерины Медичи.

В книге Фрэнка Баума «Удивительный волшебник из страны Оз» и в фильме, снятом на её основе, девочка Дороти, пройдя под радугой, попадает в Волшебную страну.

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 радужную оболочку глаза;

Присутствует в названиях муз. групп (к примеру, Rainbow).

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).

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.

Однократное отражение -- радуга первого порядка

Лучи, составляющие параллельный пучок света, входя в каплю воды, претерпевают преломление, затем отражаются от поверхности капли и, снова претерпев преломление, выходят из капли наружу. Лучи вне капли распространяются в различных направлениях, при этом максимальный угол, на который выходящие из капли лучи отклоняются от направления на солнце, составляет 42,1°. Тем самым, вышедшие из капли лучи заполняют собой конус, заключённый между крайними лучами, расположенными под углом 42,1° к оси конуса[1][5].

Важно отметить, что наибольшую интенсивность имеют крайние лучи, то есть те, что формируют образующую светового конуса, а интенсивность всех остальных лучей существенно меньше. Результатом этого является то, что наблюдатель, глядя на небо, видит яркий свет от всех тех капель, что находятся от него в направлениях, составляющих угол 42,1° с направлением первоначального распространения света. Именно этот свет и воспринимается, как видимая радуга первого порядка (первичная радуга).

Как следует из рисунка, со всех направлений, располагающихся под меньшими углами, к наблюдателю также поступает свет, рассеянный каплями. Меньшим углам соответствует та часть неба, что находится внутри радуги, поэтому эта часть воспринимается наблюдателем, как светящаяся (или освещённая). Однако в силу малой интенсивности поступающего таким образом света свечение воспринимается наблюдателем, как слабое.

С другой стороны, из представленной на рисунке схемы распространения световых лучей видно, что от капель, располагающихся под углом, превосходящим 42,1°, свет к наблюдателю не поступает вовсе. Таким образом, из сказанного следует, что внешняя по отношению к радуге часть неба представляется наблюдателю более тёмной, чем внутренняя.

Двукратное отражение -- радуга второго порядка

Распределение направлений распространения лучей, претерпевших в капле двукратное отражение, имеет существенно иной характер, чем в случае однократного отражения. Теперь диапазон их направлений гораздо больше, чем в предыдущем случае. Важно обратить внимание на то, что лучи, рассеянные каплями в результате двукратного отражения, распространяются в тех направлениях, в каких при однократном отражении они не рассеиваются.

В связи с этим обратим также внимание на то, что смысл предельного угла 50,9°, указанного на рисунке[1], отличается от смысла угла 42,1°, приведённого ранее. Действительно, при однократном отражении угол 42,1° является максимальным углом, на который выходящие из капли лучи отклоняются от направления на солнце, а при двукратном отражении угол 50,9° -- это минимальный угол отклонения лучей от того же направления. Существенно также, что между 42,1° и 50,9° находится диапазон направлений (шириной 50,9°?42,1°?9°), в котором рассеянного света нет ни при одно-, ни при двукратном отражении.

Так же, как и в предыдущем случае, крайние лучи имеют наибольшую интенсивность. Эти лучи, направленные под углом 50,9° к направлению от капли на солнце, и формируют радугу второго порядка (вторичную радугу).

Из рисунка видно, что до наблюдателя доходит свет и со всех тех направлений, которые образуют угол больший, чем 50,9°, а свет, рассеянный под меньшими углами, к наблюдателю не поступает. Иначе говоря, в отличие от случая однократных отражений, в результате двукратных отражений светится внешняя по отношению к вторичной радуге часть неба, а внутренняя область при этом свечения не испускает.

Таким образом, получается, что в результате одно- и двукратных отражений света в каплях воды относительно светлыми оказываются те области неба, что расположены внутри первичной и снаружи вторичной радуг, а область между ними остаётся тёмной. Данная область, имеющая вид дуги с угловой шириной около 9°, и представляет собой полосу Александра.

Загадки о радуге

Что за чудо-красота!

Расписные ворота

Показались на пути,

В них ни въехать, ни войти.

(Радуга)

Приказало солнце: строй

Семицветный мост крутой!

Тучка скрыла солнца свет -

Рухнул мост, и щепок нет.

(Радуга)

Разноцветно коромысло

Над дорогою повисло.

Семь цветов - одна дуга,

Это чудо - ...

(Радуга)

После дождика бывает,

Что полнеба закрывает.

Разноцветная дуга

Солнечная ...

(Радуга)

Это редкое явление,

Всех приводит в изумление.

Над землёй, небесный мост

После дождика подрос.

Волшебство семи цветов,

Разноцветных семь подков

Изогнулись над планетой,

И короновали лето.

Отвести глаз не могу,

Я смотрю на...

(Радугу)

Что за чудо-коромысло

После дождика повисло?

Очень яркое, цветное,

А красивое какое!

Разноцветны ворота

Что зовутся...

(Радуга)

Разноцветные ворота

На лугу построил кто-то.

Постарался мастер тот,

Взял он красок для ворот

Не одну, не две, не три -

Целых семь, ты посмотри.

Как ворота эти звать?

Можешь их нарисовать?

(Радуга)

Пословицы, поговорки, приметы и стихи о радуге

Воду из реки ведром не вычерпаешь, радугу с неба рукой не схватишь.

В радуге больше красного цвета - к ветру.

Высокая и крутая радуга к вёдру; пологая и низкая - к ненастью.

Радуга ушат воды выпила.

Если радуга после дождя скоро пропадает - к ясной погоде, а если долго стоит - к ненастью.

Радуга утром - к дождю.

Радуга-дуга, не пей нашу воду.

Радуга-дуга, перебей дождя.

Двойная радуга - признак дождливой погоды.

Если к вечеру появилась крутая радуга, будет такой же ясный день, а если пологая - жди дождя с ночи.

Радуга низкая и концами упирается в воду (в реки, озера или низкие места) к ненастью.

Если радуга появляется до дождя, дождь прекратится, а если после, то дождь будет продолжаться.

Радуга зимою - к морозу либо к снегу.

Если радуга появляется при хорошей погоде - наступит ненастье, а если при плохой, то будет сухо.

Если радуга протянется высоко, то тотчас после этого прояснится, если низко - то скоро будет дождь.

Если радуга яркая - к ненастью.

Зеленая радуга к дождю, желтая - к хорошей погоде, красная - к жаре, ветру.

Когда видят радугу, то ожидают перемены погоды.

Откуда радуга набирает воду, там скоро и дождь будет.

Плавать на воде при появившейся радуге опасно - может утянуть на небо.

При дожде появится радуга и голубой цвет в ней не чист, а желтоватый ярок - это лучший признак хорошей погоды.

Радуга вечерняя предвещает хорошую погоду, а утренняя - дождливую.

Радуга концами пьет воду из рек и озер и поднимает ее на небо для дождя.

Радуга на западе - жди дождя, на востоке - погода скоро установится.

Радуга поперек реки - будет хорошая погода, а если радуга вдоль реки - то будет сильный дождь.

Радуга после дождя долго стоит - погода идет к ненастью.

Радуга пьет воду, чтобы избавить землю от потопа.

Радуга с наветренной стороны - день будет дождливый, радуга с подветренной стороны - скоро прояснится.

Радуга стоит с севера на юг - к дождю, с востока на запад - к хорошей погоде.

Стихи о радуге

Радуга-дуга

Солнце вешнее с дождем

Строят радугу вдвоем -

Семицветный полукруг

Из семи широких дуг.

Нет у солнца и дождя

Ни единого гвоздя,

А построили в два счета

Поднебесные ворота.

Радужная арка

Запылала ярко,

Разукрасила траву,

Расцветила синеву.

Блещет радуга-дуга.

Сквозь нее видны луга.

А за самым дальним лугом -

Поле, вспаханное плугом.

А за полем сквозь туман -

Только море-океан,

Только море голубое

С белой пеною прибоя.

Вот из радужных ворот

К нам выходит хоровод,

Выбегает из-под арки,

Всей земле несет подарки.

И чего-чего здесь нет!

Первый лист и первый цвет,

Первый гриб и первый гром,

Дождь, блеснувший серебром,

Дни растущие, а ночи -

Что ни сутки, то короче.

Эй, ребята, поскорей

Выходите, из дверей

На поля, в леса и парки

Получать свои подарки!

Поскорей, поскорей

Выбегай из дверей,

По траве босиком,

Прямо в небо пешком.

Ладушки!

Ладушки!

По радуге

По радужке,

По цветной

Дуге

На одной ноге,

Вниз по радуге верхом -

И на землю кувырком!

Радуга

Под горою дождь грибной

Травы намочил.

И на небе радугу

Всем нам подарил.

Радуга, радуга не спеши домой.

Радуга , радуга над землей постой!

Радуга, радуга - яркое крыло.

Радуга, радуга нам с тобой светло.

Вот бы нам по радуге

Пробежать скорей.

И набрать букетики

Солнечных лучей.

Радуга - красавица,

Где тебя найти?

Далеки ли по лесу

До тебя пути?

Размещено на Allbest.ru