Радуга является одним из наиболее известных атмосферных оптических явлений, формирующихся в результате сложного взаимодействия солнечного света с каплями воды в атмосфере. Основной физический механизм образования радуги связан с преломлением, отражением и дисперсией света в сферических каплях.
Когда солнечный луч попадает в каплю воды, он преломляется на границе воздух–вода, затем отражается от внутренней поверхности капли и снова преломляется при выходе из нее. В результате световые лучи отклоняются под определёнными углами, характерными для каждого спектрального компонента.
Эта разница возникает из-за дисперсии: показатель преломления воды зависит от длины волны, и коротковолновый свет (фиолетовый, синий) преломляется сильнее, чем длинноволновый (красный).
Таким образом, наблюдатель видит разноцветную дугу, где цвета расположены от красного (снаружи) к фиолетовому (внутри).
Существует два основных типа радуг:
Вторичная радуга объясняется тем, что при двойном отражении свет выходит из капли под большим углом отклонения — около 50–53°, и к тому же значительная часть энергии теряется, что делает её бледнее.
Иногда рядом с основной дугой появляются супернумерары — дополнительные радужные полосы с более бледными цветами. Их происхождение связано с интерференцией света в пределах одной капли. Этот эффект демонстрирует волновую природу света и показывает, что простая геометрическая оптика не полностью описывает явление.
Также можно наблюдать отражённые радуги (возникают при отражении солнечного света от водной поверхности) и круговые радуги, видимые, например, с самолёта, когда капли воды освещаются с другой стороны.
В отличие от радуги, которая связана с каплями воды, гало образуется при прохождении света через ледяные кристаллы в верхних слоях атмосферы, обычно в перистых облаках. Эти кристаллы имеют правильную шестигранную форму и играют роль маленьких призм и зеркал.
Основной механизм образования гало — преломление и отражение света на гранях кристаллов льда. В зависимости от их ориентации формируются различные оптические фигуры вокруг Солнца или Луны.
Обычное гало радиусом 22° Возникает из-за преломления света в кристаллах с углом между гранями 60°. Минимальный угол отклонения света равен примерно 22°, что и определяет радиус кольца. Оно имеет слабую окраску: красноватый оттенок ближе к Солнцу и голубоватый снаружи.
Гало радиусом 46° Менее заметное и редкое, формируется в результате преломления на других траекториях через кристаллы.
Паргелии (ложные солнца) Возникают в виде ярких световых пятен по обе стороны от Солнца на угловом расстоянии 22°. Они особенно заметны при низком положении светила и представляют собой преломлённый свет, собранный кристаллами, ориентированными определённым образом.
Солнечные и лунные столбы Вертикальные световые полосы, появляющиеся из-за отражения света от горизонтально ориентированных кристаллов льда.
Редкие формы гало Включают дуги Парри, касательные дуги, циркумзенитальные дуги. Эти сложные фигуры образуются при специфической ориентации кристаллов и часто представляют собой комбинацию преломлений и отражений.
Цвета гало значительно менее насыщенные, чем у радуги. Это объясняется тем, что дисперсия преломления в кристаллах льда слабее, чем в каплях воды. Кроме того, в гало сильнее проявляется рассеяние света, что делает фигуры более бледными и размытыми.
Особое внимание заслуживает то, что гало не связано с положением наблюдателя в той мере, что радуга. Если радуга всегда образуется на оси “Солнце — наблюдатель”, то гало может наблюдаться сразу несколькими людьми под разными углами, поскольку оно определяется ориентацией кристаллов в облаках, а не геометрией отражения в сферической капле.
Эти два явления — яркий пример того, как законы геометрической и волновой оптики проявляются в природной среде, демонстрируя фундаментальные свойства света и вещества.