Как работает радуга и почему она всегда круглая

Ты ловил себя на мысли, что радуга всегда выгнута дугой, но никогда — прямой линией или, скажем, квадратом? Это не каприз природы и не совпадение. На самом деле радуга — это идеальный круг, и у нас есть точный ответ, почему ты видишь только его кусочек.

Что вообще происходит внутри одной капли

Начнём с главного героя — крошечной капли дождя. Когда солнечный луч в неё попадает, происходят сразу три вещи, и именно их связка рождает всё чудо.

• Луч преломляется — то есть меняет направление, входя из воздуха в воду, потому что в воде свет движется медленнее.
• Дойдя до задней стенки капли, он отражается от неё, как от внутреннего зеркала, и поворачивает назад.
• Выходя обратно в воздух, луч снова преломляется и окончательно меняет курс.

Самое интересное — на входе белый солнечный свет разбивается на цвета. Дело в том, что красный, зелёный и фиолетовый преломляются чуть по-разному: фиолетовый сильнее, красный слабее. Капля работает как миниатюрная призма и раскладывает белый свет на спектр. Поэтому в радуге всегда один и тот же порядок цветов — от красного снаружи до фиолетового внутри.

Магическое число 42

А теперь физика, ради которой всё затевалось. Когда луч выходит из капли, он отклоняется от своего исходного направления на вполне определённый угол — около 42 градусов для красного света и чуть меньше, около 40, для фиолетового. И этот угол одинаков для всех капель в небе.

Радуга — это не объект в небе на конкретном расстоянии. Это направление, под которым к тебе приходит разложенный свет. Поэтому до радуги невозможно дойти: она «отъезжает» вместе с тобой.

Получается, что ты видишь свечение только от тех капель, которые расположены под этим самым углом 42 градуса относительно линии, идущей от солнца через твою голову. Капля чуть ближе или чуть дальше по углу — и её свет летит мимо твоих глаз, в радуге ты её не замечаешь.

Почему именно круг, а не дуга

Вот мы и подобрались к разгадке формы. Представь луч, который тянется от солнца сквозь твою голову и уходит в землю — это ось. Теперь подумай, где расположены все точки неба, отстоящие от этой оси ровно на 42 градуса. Они образуют конус, а если смотреть вдоль его оси — идеальную окружность.

Хорошая аналогия — раскрытый зонт. Спицы расходятся от центральной палки во все стороны под одним углом, и их кончики складываются в круг. Радуга устроена так же: «центр» круга находится прямо напротив солнца (эта точка называется антисолнечной), а сама дуга — это «кончики спиц» под углом 42 градуса. Любая капля на этом круге светится тебе нужным цветом, и неважно, слева она, справа или сверху — угол одинаковый.

Так почему же мы видим только половинку? Потому что нижнюю часть круга обрезает земля: там, под линией горизонта, просто нет висящих в воздухе капель, чтобы отразить свет. Чем выше ты поднимаешься, тем больше круга открывается. Из окна высокого самолёта или с вершины горы радугу иногда можно увидеть целиком — как сияющее кольцо вокруг тени самолёта на облаках.

Маленькие правила, которые теперь легко проверить

Раз ты понял геометрию, ты можешь предсказывать радугу как настоящий физик. Несколько следствий, которые работают всегда:

• Радуга всегда напротив солнца. Хочешь её увидеть — встань спиной к солнцу и смотри на стену дождя перед собой.
• Чем ниже солнце, тем выше и больше радуга. На рассвете и закате она самая впечатляющая, а в полдень, когда солнце высоко, прячется под горизонтом — её центр уходит слишком низко.
• Иногда появляется вторая радуга, бледнее и выше. В ней луч отражается внутри капли не один, а два раза, выходит под углом около 51 градуса, и порядок цветов переворачивается — красный оказывается внутри.

И ещё одна красивая деталь: строго говоря, каждый человек видит свою собственную радугу. Угол отсчитывается от линии, проходящей именно через твои глаза, поэтому твой сосед ловит свет от совсем других капель. Вы стоите рядом, но смотрите на два разных круга света — просто настолько похожих, что разницы не заметить.

Так что в следующий раз, когда после дождя в небе вспыхнет привычная дуга, ты будешь знать правду: перед тобой не арка, а половина огромного круга, нарисованного миллионами капель, каждая из которых поймала свой луч под углом 42 градуса и отправила тебе ровно один цвет.