Физические основы явлений радуги и гало
Радуга — это оптическое атмосферное явление, возникающее вследствие взаимодействия солнечного света с каплями воды в атмосфере. Основными физическими процессами, ответственными за формирование радуги, являются преломление, внутреннее отражение и дисперсия света.
Преломление света происходит при входе солнечного луча в каплю воды. Свет отклоняется, изменяя своё направление в зависимости от длины волны: фиолетовые лучи преломляются сильнее, чем красные. Это приводит к дисперсии — разделению белого света на спектральные составляющие.
После преломления внутри капли происходит полное внутреннее отражение света от задней внутренней поверхности капли. Затем свет выходит наружу, вновь преломляясь. В результате этого двойного преломления и одного отражения формируется первичная радуга.
Центр радуги всегда находится в направлении, противоположном Солнцу, на линии, проходящей через глаз наблюдателя и солнечный диск. Угловой радиус первичной радуги составляет примерно 42° для красного света и 40° для фиолетового. Эти значения определяются углами отклонения лучей различной длины волны после прохождения через каплю.
Наиболее интенсивная часть радуги формируется за счёт капель диаметром порядка 0,5–2 мм. Мелкие капли приводят к более размытым, тусклым и бледным дугам.
Помимо основной (первичной) радуги, в некоторых случаях можно наблюдать вторичную радугу, располагающуюся снаружи основной. Она формируется при двух внутренних отражениях в капле и характеризуется обратным порядком цветов — красный располагается на внутренней стороне дуги, фиолетовый — на внешней. Угловой радиус вторичной радуги составляет примерно 51°.
Яркость вторичной радуги существенно ниже, так как каждый дополнительный акт отражения уменьшает интенсивность выходящего света. Между первичной и вторичной радугой находится тёмная зона Александра — область с пониженной яркостью, объясняемая отсутствием направленного рассеяния света между углами отклонения, соответствующими двум радугам.
В реальных условиях капли не всегда имеют одинаковый диаметр. При определённой дисперсии размеров, особенно при наличии очень мелких капель, можно наблюдать сверхнумерарные дуги — дополнительные, тонкие, бледные радужные полосы на внутренней стороне первичной радуги. Эти полосы объясняются интерференцией световых волн, а не классической геометрической оптикой. Их существование является ярким примером волновой природы света.
Радуга всегда является индивидуальным явлением: каждый наблюдатель видит её немного по-своему, так как лучи от разных капель достигают разных точек зрения. Кроме того, для наблюдения радуги необходимо, чтобы Солнце находилось низко над горизонтом (обычно не выше 42°), а напротив него находились дождевые облака или туман с каплями подходящего размера.
В отличие от радуги, которая формируется в водяных каплях, гало возникает вследствие взаимодействия солнечного или лунного света с ледяными кристаллами в верхних слоях тропосферы и нижней стратосферы, чаще всего в перистых облаках. Основные физические процессы — преломление и отражение света внутри шестиугольных кристаллов льда.
Наиболее часто встречающееся гало — это 22-градусное гало, представляющее собой светлое кольцо вокруг Солнца или Луны. Оно формируется в результате преломления света при прохождении через боковые грани кристаллов с углом преломления около 22°. Это гало имеет постоянный угловой радиус и не зависит от положения Солнца на небе.
Гало включает в себя множество различных форм и проявлений, зависящих от ориентации и формы кристаллов льда:
Каждый тип гало связан с определённой траекторией света внутри кристаллов и характерной ориентацией последних в пространстве. При этом гало, в отличие от радуги, не зависит от длины волны в той же степени, поэтому его цвета более бледные и часто почти белые.
Гало можно наблюдать при ясной погоде, особенно в зимнее время, когда в атмосфере присутствует большое количество перистых облаков или ледяных кристаллов, не оседающих на землю. Наблюдение гало связано не с наличием дождя, как в случае радуги, а с определённой микрофизикой облаков, температурой воздуха и высотой расположения ледяных частиц.
Часто гало сопровождается целой серией дополнительных явлений, включая перекрёстные дуги, гало от отражённого света, ансамбли гало. Систематические исследования гало важны для изучения состава высоких облаков, их влияния на радиационный баланс атмосферы и климатические процессы.
| Характеристика | Радуга | Гало |
|---|---|---|
| Тип частиц | Капли воды | Кристаллы льда |
| Основной процесс | Преломление, отражение, дисперсия | Преломление, отражение |
| Цветовая насыщенность | Яркие, насыщенные цвета | Бледные, пастельные оттенки |
| Угловое положение | 40–42° от антисолнца | Обычно 22° или 46° от Солнца |
| Геометрическая структура | Окружности, дуги | Кольца, дуги, пятна, столбы |
| Необходимые условия | Солнце низко, дождь | Перистые облака, морозный воздух |
Оба явления являются результатом сложных оптических процессов в атмосфере и иллюстрируют тесную связь между микрофизикой облаков, геометрической оптикой и волновой природой света. Их наблюдение и исследование имеют как прикладное значение — в метеорологии и климатологии, так и познавательное — как пример многообразия природных явлений.