На подоконнике стоит стакан с водой. Утреннее солнце бьёт в него сбоку — и на потолке появляется тонкая полоска: красная, потом оранжевая, жёлтая, зелёная, голубая, синяя, фиолетовая. Это и есть радуга. Не та, большая, в полнеба — но устроенная ровно так же, по тем же правилам.
Разберёмся, откуда берётся радуга — через этот стакан, шаг за шагом. Всё, что происходит в небе над лугом после ливня, происходит и здесь.
Стакан с водой и радуга на потолке — одно и то же
Солнечный луч — это не один цвет, а смесь всех сразу. Когда он летит в воздухе, цвета идут вместе, и мы воспринимаем их как белый или бледно-жёлтый свет.
Как только луч попадает в воду — в стакан, в каплю дождя или в фонтанный туман — начинается разделение. Разные цвета ведут себя в воде чуть по-разному. Это «чуть-чуть» за три шага превращается в видимую радугу.
Стакан — это просто очень большая капля дождя с плоскими стенками. Принцип одинаковый.
Что происходит с лучом внутри капли: три шага
Три шага идут строго по порядку. Если убрать один из них или поменять их местами, радуга не получится.
| Шаг | Что происходит | Зачем это важно |
|---|---|---|
| 1. Вход в каплю | Луч переходит из воздуха в воду и замедляется | Из-за разницы скоростей луч изгибается — это называется преломление |
| 2. Отражение | Луч упирается в заднюю стенку капли и отражается обратно | Луч разворачивается и идёт назад — в сторону наблюдателя |
| 3. Выход из капли | Луч снова переходит из воды в воздух | Второе преломление окончательно разводит цвета в стороны |
В стакане роль «задней стенки» играет противоположная грань стекла. В дождевой капле — её сферическая поверхность сзади.
Почему порядок шагов нельзя поменять
Представьте, что луч попробует сначала отразиться, а потом войти в каплю. Это невозможно физически: чтобы отразиться от задней стенки, луч должен уже быть внутри. Или другой вариант — луч вошёл и сразу вышел, не отразившись. Тогда он пройдёт почти насквозь, цвета разойдутся совсем немного — никакой видимой радуги не выйдет.
Только вход → отражение → выход дают нужный разворот луча и нужное двойное преломление.
Именно поэтому радуга такая стабильная: в миллионах капель одновременно происходит одно и то же, строго в одном порядке — и мы видим ровную цветную дугу, а не случайный набор пятен.
Почему цвета расходятся: каждый сворачивает на свой угол
При преломлении каждый цвет отклоняется на свой, чуть отличающийся угол. Это происходит потому, что разные цвета имеют разную длину волны. У красного цвета волна длиннее, у фиолетового — короче. Вода сильнее изгибает короткие волны, чем длинные: красный выходит из капли под углом около 42°, фиолетовый — около 40°.
Разница в угле кажется маленькой, но двойного преломления хватает, чтобы цвета разошлись достаточно далеко — и глаз их различил как отдельные полосы. Красный уходит вверх дуги, фиолетовый — вниз.
Оранжевый, жёлтый, зелёный и голубой занимают промежуточные позиции — строго по порядку длин волн.
Из скольких цветов состоит радуга
Строго говоря, цветов в радуге бесчисленное множество: спектр непрерывный, между полосами нет границ. Но глаз и мозг выделяют отдельные полосы — как будто кто-то провёл линии там, где их нет.
В русской традиции насчитывают семь цветов:
- красный — снаружи дуги (самая верхняя полоса)
- оранжевый
- жёлтый
- зелёный
- голубой
- синий
- фиолетовый — внутри дуги (самая нижняя полоса)
В других странах часто считают шесть: голубой и синий воспринимают как один цвет. Физика ни то ни другое не запрещает — это вопрос языка и традиции, а не природы.
Запомнить порядок помогает мнемоника: «Каждый охотник желает знать, где сидит фазан» — первые буквы слов совпадают с первыми буквами цветов.
Почему радуга появляется после дождя, а не во время
Во время сильного дождя капли крупные и падают плотным потоком — они рассеивают свет во все стороны, и небо просто темнеет или белеет. Никакой упорядоченной радуги в таких условиях не выйдет.
Радуга требует другого состояния: мелкие капли, ещё висящие в воздухе, пока солнце уже вышло из-за туч. Это состояние — несколько минут сразу после ливня — почти идеальное. Воздух насыщен мелкой взвесью, и каждая капля работает как маленький стакан.
Утренний туман над лугом, водопадная пыль или фонтан в парке дают те же условия: капли есть, солнце есть, угол подходит. Потому радугу иногда видно утром над скошенным полем или рядом с горным водопадом — и дождя никакого не было.
Почему радуга всегда дугой
Радуга — это не объект в небе с определённой формой. Это геометрическое следствие того, что каждая капля отправляет свет к наблюдателю под одним и тем же углом.
Представьте: вы стоите, солнце за спиной, перед вами — тысячи капель на разных высотах и расстояниях. Те капли, которые находятся под нужным углом к вашим глазам, дают красный цвет. Все такие капли образуют дугу — они как будто лежат на поверхности воображаемого конуса с вершиной у вас в глазу. Чуть ниже угол другой — и видите зелёный. Ещё ниже — фиолетовый.
Полукруг вместо полного круга объясняется просто: земля обрезает нижнюю половину. С достаточной высоты — из иллюминатора самолёта или с высокой точки над дождём — радуга видна как полный или почти полный круг.
Где нужно стоять, чтобы увидеть радугу
Три условия, которые должны совпасть одновременно:
- Солнце — за спиной и достаточно низко над горизонтом. Высоко стоящее солнце даёт радугу ниже горизонта — мы её не видим.
- Капли воды — впереди: дождь, туман, фонтанная пыль.
- Угол между глазом, каплей и солнцем — около 40–42°, в зависимости от цвета.
Именно поэтому два человека, стоящие рядом, видят «разные» радуги: каждый смотрит под своим углом, и капли, отправляющие свет к одному, не отправляют его к другому. Радуга — это направление взгляда, а не предмет в пространстве.
Подойти к ней невозможно: она смещается вместе с вашей тенью. Каждый шаг вперёд меняет угол — и радуга «уходит» на столько же.
Двойная радуга: что значит, когда цвета перевёрнуты
Иногда над главной радугой видна вторая — более бледная, и у неё цвета идут в обратном порядке: фиолетовый сверху, красный снизу.
Это вторичная радуга. Она возникает, когда луч отражается внутри капли дважды, а не один раз. Второе отражение переворачивает цвета и выносит всю радугу выше. Из-за того что часть света при каждом отражении теряется, вторичная радуга всегда тусклее первичной.
Тёмная полоса между двумя радугами называется полосой Александра. В этой зоне капли не отправляют свет к наблюдателю ни одним из путей — и небо там заметно темнее, чем над двойной радугой или под одинарной.
Как сделать радугу дома: три способа
Когда дождь не идёт, а показать хочется, опыт можно повторить дома. Все три способа работают на том же принципе.
Стакан с водой. Поставьте стакан на подоконник утром или вечером, когда солнце невысоко. Подложите под стакан белый лист — радуга появится на нём. Это самый точный аналог природной капли.
Компакт-диск или DVD. Обратная сторона диска отражает свет и разделяет его на цвета — здесь работает другой механизм (дифракционная решётка), но результат внешне похожий.
Шланг с распылителем. В солнечный день направьте тонкую струю воды против солнца — в облаке мелких капель появится настоящая маленькая радуга. Этот способ точнее всего повторяет природный: капли в воздухе, солнце сзади, вы смотрите вперёд.
Больше домашних опытов с водой и светом — в статье о том, куда исчезают лужи после дождя: круговорот воды для детей.
Как объяснить радугу ребёнку: с чего начать
Лучше всего — не объяснять словами сразу, а начать со стакана на подоконнике. Когда ребёнок видит радугу у себя на ладони или на полу, он уже понял главное — дальше объяснение только уточняет то, что он уже увидел.
Порядок, который хорошо работает для детей восьми-девяти лет:
- Показать опыт со стаканом и белым листом.
- Спросить: «Откуда взялись цвета, если вода прозрачная, а солнечный свет почти белый?»
- Объяснить, что белый свет — это смесь всех цветов сразу. Стакан её разделил.
- Добавить: «В каждой капле дождя происходит то же самое, только ещё с отражением внутри».
- После следующего дождя выйти вместе и найти радугу — встать так, чтобы солнце было сзади.
Дошкольнику достаточно первых двух шагов и самого опыта. Объяснять «почему вода разделяет цвета» раньше восьми лет почти не имеет смысла — достаточно, что это происходит.
О том, как начать разговор с ребёнком о науке и устройстве мира, — в статье про космос для детей: с чего начать.
Частые вопросы
Почему радугу не видно в пасмурный день? Пасмурное небо — сплошной слой облаков. Он рассеивает солнечный свет во все стороны, и прямых лучей от конкретной точки нет. Без направленного луча — нет отражения под нужным углом, нет и радуги.
Бывает ли ночная радуга? Да, это лунная радуга. Она возникает при полной луне, если в воздухе есть мелкие капли. Выглядит почти белой: при слабом освещении цветовые рецепторы глаза почти не работают. Цвета становятся заметны только на длинной фотовыдержке.
Почему в разных странах называют разное количество цветов? Это культурная разница, а не физическая. В природе спектр непрерывный, чётких границ между полосами нет. Сколько цветов выделять — зависит от языка и традиции.
Почему иногда радуга очень яркая, а иногда почти не видна? Это зависит от размера капель. Крупные капли дают более насыщенные, чёткие цвета. В мелком тумане полосы размываются и радуга становится почти белой — её называют туманной радугой, или fogbow.
Почему в радуге нет розового или коричневого? Спектр видимого света — это только те цвета, которые существуют как отдельные длины волн. Розовый — это смесь красного и фиолетового, их нельзя получить преломлением. Коричневый и серый — это тоже смеси, а не самостоятельные цвета спектра.