Почему радуга изогнута?

Дождь только что прошёл, с листьев в саду капает, и за вашей спиной выглядывает вечернее солнце. И вот она, над крышами: огромная цветная арка, такая ровная, будто её начертили циркулем. Отсюда честный вопрос. Дождь падает по прямой, солнечный свет летит по прямой, так кто же рисует дугу?

Короткий ответ

Арку не рисует никто. Радуга — это круг, а нижнюю его часть прячет земля. Национальная метеорологическая служба США описывает радугу как группу почти круглых цветных дуг с общим центром и остальное объясняет просто: полного круга мы не видим, потому что мешает земля. Центр этого круга находится в точке прямо напротив солнца, то есть там, куда падает тень вашей собственной головы.

Как капля строит круг

Каждая дождевая капля работает как крошечное круглое зеркало с приделанной к нему призмой. Солнечный луч преломляется, входя в каплю, отражается от её изогнутой дальней стенки изнутри и преломляется ещё раз на выходе. Из-за этого преломления белый свет раскладывается на цвета. Но выходит он не одинаково во все стороны. Большая его часть собирается вдоль одного пути, который возвращается назад под углом примерно 42 градуса к направлению, в котором шёл солнечный свет.

Значит, капля посылает вам свой цвет только тогда, когда висит ровно под этим углом от вашего глаза. Теперь спросим, где находятся все капли с нужным углом. Как объясняют физики Иллинойсского университета, они лежат на конусе, в вершине которого стоите вы и который направлен в сторону от солнца. Посмотрите вдоль конуса из его вершины, и вы увидите круг. Красный свет выходит из капли под чуть большим углом, чем синий, поэтому красный оказывается на внешнем крае радуги, а синий на внутреннем.

• 42° от точки напротив солнца до главной радуги
• ≈ 50° здесь появляется вторая, более бледная радуга
• 2 отражения внутри каждой капли для второй радуги

В чём люди часто ошибаются

Обычно радугу представляют как арку, которая стоит где-то в поле и у которой есть два конца, куда можно дойти. В Ирландии XVII века, как отмечает Национальная метеорологическая служба, говорили, что найти горшок с золотом так же вероятно, как найти конец радуги, и шансы оценивали примерно верно. Радуга — это не предмет, стоящий в каком-то месте. Это набор направлений, отмеренных от вашего собственного глаза, поэтому, когда вы идёте, она идёт вместе с вами. Человек рядом с вами стоит в вершине чуть другого конуса и видит радугу, составленную из других капель.

Размер арки тоже меняется в течение дня. Чем ниже солнце, тем большая часть круга поднимается над горизонтом, и на закате получается ровно половина круга, вершина которой находится на высоте 42 градуса. Если солнце поднимается выше 42 градусов, весь круг уходит под горизонт, и с земли ничего не видно. Вот почему самые величественные радуги появляются, когда солнце стоит низко.

Откуда мы это знаем

Это можно проверить, поднявшись повыше. Британская метеорологическая служба отмечает, что с горы или из самолёта земля больше не обрезает картину, и можно увидеть кольцо целиком. Кроме того, геометрия делает предсказание, которое легко проверить в удачный день. Свет, отразившийся внутри капли дважды, выходит под углом около 50 градусов, а значит, снаружи от первой радуги должна быть вторая, более бледная, с цветами в обратном порядке. Так и есть. Полоса неба между двумя радугами выглядит темнее остального, и у неё даже есть имя: полоса Александра. Неплохо для нескольких миллионов капель воды, каждая из которых делает одно и то же простое дело и посылает немного цвета в вашу сторону.