Чому буває на небі веселка?

Хто не бачив веселки? Це красиве небесне явище спостерігається при дощі і завжди привертає нашу увагу. Часто думають, що яскрава многокрасочная веселка з’являється лише перед закінченням дощу. Це невірно. Нерідкі випадки, коли веселка з’являється і перед початком дощу. Можна спостерігати веселку і незалежно від дощу. Подивіться, наприклад, на бризки води біля фонтану, освітлені сонцем, і ви помітите в них маленьку веселку, подібну небесної. Щоб побачити таку веселку, треба встати спиною до сонця.

У минулі часи, коли люди ще дуже мало знали про навколишній їхній світ, веселку вважали «небесним знаменням». Так, стародавні греки думали, наприклад, що веселка — це усмішка богині Іриди.

Мал. 3

Спроби науково пояснити явище веселки жорстоко переслідувалися церковниками. На початку XVII століття був відлучений від церкви і засуджений до смертної кари вчений Домініс, який намагався пояснити веселку природними причинами. Він помер у в’язниці, не дочекавшись кари, але труп його був все-таки відданий страти і спалений!
Правильне наукове пояснення веселки було дано після того, як була розгадана природа білого світла.

Близько трьохсот років тому чеський учений Марк Марція відкрив, що білий сонячне світло є світлом складним. Марци готував різні горіння скла і спостерігав, як через них проходить сонячне світло. Одного разу Марци взяв для досвіду шматок скла у вигляді клина — скляну призму — і поставив її на шляху тонкого променя сонячного світла в темній кімнаті. Результат був несподіваний: на стеку кімнати, там, де повинен був впасти сонячний промінь, що пройшов через скляну тригранну прийому, з’явилася багатобарвна райдужна смуга. Вона була подібна небесної райдуги — різні кольори в смужці на стіні розташовувалися в тому ж порядку, що і в небесній райдуги, переходячи один в одного: за червоним кольором йшов помаранчевий, потім жовтий, зелений, блакитний, синій і фіолетовий.
Марци зрозумів, що білий світ — це світ складний; за певних умов він розкладається на багато кольорові промені, утворюючи райдужні смуги.

Мал. 4

Пізніше англійський учений Ньютон пояснив, чому скляна призма розкладає білий світ. Виявляється, сонячні промені, проходячи через призму, відхиляються від свого первісного напрямку, вони, як кажуть, переломлюються. При цьому різні кольорові промені, що входять до складу білого світла, переломлюються в призмі по-різному — одні більше, інші менше. Найменше переломлюються червоні промені, найсильніше — фіолетові. Завдяки різному переломленню кольорові промені і стають видимі, коли білий сонячний промінь пройде через призму.

Призма як би розділяє кольорові промені один від одного. В інших стеклах, наприклад у звичайному віконному, цзетние промені переломлюються однаково, і ми бачимо тому той же білий світ.
Багатоколірну смугу розкладеного білого світла називають спектром.

Те, що біле світло складається з різнокольорових променів, доводиться і таким досвідом. Картонний коло розділений на сім частин, як показано на малюнку, і частини пофарбовані в основні спектральні кольори. Якщо таке коло швидко обертати, то різнокольорові смужки зливаються в одне білувато-сіра пляма. Виходить це з тієї причини, що зорові враження від різному пофарбованих частин кола, потрапляючи на сітківку ока, накладаються при швидкому обертанні кола одне на інше, і, таким чином, як-би змішуються між собою. Сіруватим, а не чисто білим ми бачимо таке коло тому, що дуже важко пофарбувати окремі частини кола так, щоб вони в точності відповідали спектральним кольорам природного веселки.

Мал. 5

Після відкриття спектральних квітів стало ясно, що і в небесній райдуги ми спостерігаємо сонячні промені, розкладені в спектр.

Але яким же шляхом це відбувається в природі? Що тут замінює скляну призму?
Виявляється, веселка виникає в тих випадках, коли промені Сонця переломлюються і відображаються в краплях дощу. Ось як це відбувається в найпростішому вигляді. Промені сонячного світла падають на краплю води. Входячи в краплю, вони змінюють свій напрямок, переломлюються і при цьому розкладаються на кольорові промені. Кольорові промені, пройшовши через краплю, відбиваються від її внутрішньої протилежній частині (у місці 2) і знову проходять через краплю води. Виходячи з краплі в місці 5, кольорові промені переломлюються ще раз і потрапляють в око спостерігача. При цьому, як і в скляній призмі, найбільше відхиляються від свого первісного напрямку фіолетові промені видимого спектру, а найменше — червоні. Таке заломлення променів сонячного світла відбувається одночасно в безлічі крапель.

Щоб побачити веселку, спостерігачеві треба стояти між Сонцем і краплями дощу, в яких відбувається заломлення сонячних променів, і спиною до Сонця. Так як кольорові промені виходять з краплі під різними кутами, то ясно, що від кожної краплі в око спостерігача може потрапити лише один який-небудь кольоровий промінь. Решта промені, що йдуть з тієї ж краплі, спостерігач не побачить, вони пройдуть повз його очі — вище або нижче.

Мал. 6

Від самих верхніх крапель, заломлені промені від яких ще побачить спостерігач, будуть падати в очі спостерігача лише червоні промені — адже вони відхиляються при ламанні менше всіх. Від крапель, що лежать нижче, в око будуть потрапляти вже помаранчеві промені. Краплі, що лежать ще нижче, пошлють в очі спостерігача вже жовті промені, і так далі — до фіолетових включно. Промені, що відображаються сусідніми краплями, зливаються і таким чином спостерігач бачить низку кольорових смуг-від верхньої червоної до фіолетового нижньої.

Мал. 8

Але чому ж ми бачимо веселку у вигляді дуги? І це пояснюється досить просто. З’єднайте подумки Сонце з усіма точками, що лежать, скажімо, на червоній смузі веселки, ви отримаєте конусоподібну поверхню, вісь якої проходить через око спостерігача (мал. 6). Кожна крапля на цій поверхні знаходиться в однаковому відношенні як до Сонця, так і до спостерігача. Тому від всіх цих крапель в око спостерігача і потрапляють одні червоні промені. Зливаючись, вони і дають червону дугоподібну лінію. Таку ж лінію, але помаранчеву, утворюють дощові краплі, що знаходяться нижче, і так далі.
Так утворюється веселка, яку видно до тих пір, поки дощові краплі падають досить часто і рівномірно.

Мал. 9

Яскравість веселки залежить від кількості крапельок води в повітрі і від їх розмірів. Встановлено, що чим більша краплі, тим яскравіше веселка. Ось чому веселка особливо яскрава під час короткочасного літнього дощу, коли на землю випадають часті великі краплі. Помічено також, що залежно від величини крапельок змінюється і вид веселки — змінюється яскравість і ширина її окремих смуг. Так, краплі діаметром від 0,5 до 1 міліметра дають веселку з яскравими фіолетовою і зеленої смугами і з дуже слабкою блакитною смугою. Коли розміри крапельок значно менше, у веселці мало помітна червона смуга, а більш виділяється жовта. Наприклад, крапельки діаметром в 0,1 частку міліметра і дещо менше дають яскраву красиву веселку, кілька більш широку, ніж зазвичай, в якій чистого червоного кольору немає зовсім. Якщо у веселці ясно помітна біла смуга, то це означає, що величина крапель дощу не перевищує 0,03 частки міліметра.

Взагалі, чим менше величина крапельок води, що дають явище веселки, тим білими відтінком райдужних кольорів, а також тим ширше райдужна смуга. Таким чином, по виду райдужних смуг на небі можна визначати величину дощових крапель.
Найдрібніші крапельки води, що утворюють туман і хмари, веселки вже не дають.

Коли Сонце знаходиться на горизонті, ми бачимо веселку у вигляді повного півкола. У міру підйому Сонця веселка поступово зменшується в розмірах, опускаючись до горизонту. Коли Сонце піднімається над горизонтом вище 42 градусів, веселка йде за горизонт (градус — одиниця виміру дуг кіл; дуга в один градус — 7збо частину кола; диск Місяця, для прикладу, дорівнює ‘/ г градуса). Тому-то влітку опівдні веселки і не буває видно. У другій половині дня, при заході Сонця, знову можна побачити веселку.

Таким чином, з землі не можна побачити веселку більш ніж в половину кола. Але якщо піднятися над землею, то можна побачити і майже повне коло веселки.

Найчастіше ми бачимо одну веселку. Проте нерідкі випадки, коли на небі з’являються одночасно дві веселкові смуги, розташовані одна над іншою. При цьому в іншої веселки кольору смуг розташовуються у зворотному порядку — верхня частина дуги має фіолетове забарвлення, а нижня — червону.

Веселка

Причина цього явища також встановлена. Подвійна веселка пояснюється тим, що сонячні промені двічі відображаються в краплях, що знаходяться вище крапель, що дають звичайну веселку. Таксою подвійне відображення світла в краплі води зображено на рисунку 8. Порівнюючи просте відображення світла в краплі (див. рис. 5) з подвійним його відображенням, неважко встановити, що якщо при простому відображенні в око потрапляє червоний промінь, то при подвійному відображенні спостерігач побачить фіолетовий промінь.
Схема утворення подвійної веселки показана на малюнку

Так як при подвійному відображенні у краплі втрачається більше світла, яскравість другий веселки завжди менше, вона виглядає блідіше.
Спостерігають, правда, досить рідко, і ще більше число райдужних небесних дуг — три, чотири і навіть п’ять одночасно!

Це цікаве явище спостерігали, наприклад, ленінградці 24 вересня 1948, коли в другій половині дня серед хмар над Невою з’явилося чотири веселки.
Таке явище відбувається завдяки тому, що веселка може виникати не тільки від прямих сонячних променів; нерідко вона з’являється і у відбитих променях Сонця. Це можна бачити на березі морських заток, великих річок і озер. Багаторазові веселки, що спостерігаються на небі одночасно, і викликаються часто цією причиною. Три-чотири такі веселки — звичайні і відображені — Оперезаний небо, створюють часом дуже красиву картину.

Так як відбиті від водної поверхні промені Сонця йдуть знизу вгору, то веселка, що утворюється в цих променях, може виглядати іноді абсолютно незвично: «догори ногами»
І, нарешті, розповімо про місячну райдуги. Зазвичай думають, що веселка буває тільки вдень. Насправді веселка буває і вночі, правда, завжди слабкіша, і спостерігається вона вельми рідко. Побачити таку веселку можна після нічного дощу, коли з-за хмар вигляне Місяць. Веселка з’являється на небі в стороні, протилежної Місяцю.