Веселка — один із найвідоміших оптичних ефектів, пов’язаних із погодою, і один із найпрекрасніших шедеврів природи. Вона є чудовою демонстрацією дисперсії світла та доказом того, що видиме світло складається зі спектру довжин хвиль, кожна з яких пов’язана з окремим кольором.
Веселка виникає в результаті заломлення сонячного світла в краплях води, що падає, а також відбиття світла від зворотного боку краплі.
Це оптичне явище зустрічається набагато рідше, ніж можна було б подумати. Це пов’язано з тим, що веселка виникає лише тоді, коли в її напрямку є сонце або місяць разом із опадами. Коли ви бачите веселку, Сонце завжди знаходиться позаду, а центр дуги кола веселки знаходиться в напрямку, протилежному напрямку Сонця. Дощ йде в напрямку веселки.
Краплі дощу діаметром менше 2 мм утримують сильну сферичну форму завдяки силам поверхневого натягу. Більші краплі іноді сплющуються під дією опору повітря, коли вони падають; навіть невеликі відхилення від сферичності руйнують веселку або, можливо, спричиняють деякі дивні ефекти.
Превинна веселка
Найпоширеніша веселка, утворена світловими променями, які зазнають одноразового внутрішнього відбиття в краплі води, називається первинною веселкою.
Його кольори створюються двома заломленнями, коли промені входять і виходять. Промені відхиляються назад до падаючого сонячного світла, утворюючи дугу, що з’являється навпроти Сонця.
Рисунок 3.1.
Промені, розташовані поблизу центру краплі, відхиляються назад майже на 180º. Промені, розташовані далі від центру, відхиляються все менше і менше, поки відхилення не досягне мінімуму (приблизно 137,5º для темно-червоного світла). Це «кут мінімального відхилення» або «кут веселки». Відхилення збільшується ще раз, коли вхідний промінь наближається до краю краплі.
Промені сильно скупчуються навколо кута веселки, тому під цим кутом дуга найяскравіша. Промені біля кута веселки утворюють яскравий зовнішній край дуги.
Червоне світло заломлюється менше, ніж синє, і його мінімальний кут відхилення менший. Таким чином, червоний знаходиться на зовнішній стороні головної дуги.
Відхилення традиційно вимірюються від напрямку падаючого сонячного світла. Кут відхилення для червоних променів, що утворюють край первинної дуги, становить приблизно 137,5º. Центр веселки знаходиться прямо навпроти Сонця (кут відхилення 180º). Отже, радіус червоного краю основного елемента дорівнює 180°-137,5° = 42,5°.
Первинна веселка утворюється приблизно між 38,72° і 42,86° від антисонячної точки.
Рано вранці та пізно вдень – найкращий час, щоб побачити веселки, оскільки сонце не повинно бути надто високо. Веселки завжди навпроти Сонця, а їх центри знаходяться під горизонтом в антисонячній точці.. Чим нижче Сонце до горизонту, тим більшу частину кола ми бачимо. Краплі дощу, які сприяють появі веселки, лежать на конусі, вершина якого спрямована на око спостерігача. Отже, коли ви дивитесь на веселку, ви дивитесь на зібране світло від багатьох крапель дощу, які на мить утворюють «кольоровий конус», вершина якого спрямована до вашого ока.
Вторинна веселка
Світло може відбиватися всередині краплі дощу кілька разів. Промені, що виходять після двох відбиттів, утворюють вторинну веселку. Промені для червоної основної дуги виходять із краплі під кутом 50°, а не 42°. Синє світло виходить під ще більшим кутом 53°. Цей ефект створює вторинну веселку, кольори якої змінюються на протилежні порівняно з основною. Вторинний має 43% від загальної яскравості основного, але його поверхнева яскравість нижча, оскільки його світло розповсюджується на його більший кут. Первинний і вторинний є концентричними, розділяючи антисонячну точку для центру.
Веселка - це не просто набір кольорових кілець. Небо всередині світле, тому що краплі дощу також направляють туди світло. Основна дуга — це блискучий диск, який дуже сильно світлішає до свого краю.
Світлові промені, зазнаючи одноразового відбиття в краплях дощу, утворюють первинну веселку або освітлюють небо всередині неї. Двічі відбиті промені відхиляються, утворюючи вторинну дугу або освітлюючи небо ззовні.
Таким чином, область між основною і вторинною веселкою помітно темніша за навколишнє небо. Називається «темною смугою Олександра», вона названа на честь грецького мудреця Олександра з Афродісії, який описав її у своїх хроніках на початку 3-го століття. Ця геометрична смуга являє собою область, позбавлену променів, які пройшли крізь краплі води. Світло, відбите від поверхні крапель може досягати цієї смуги, але ці промені відносно слабкі. У випадку спектру краплі роси зона Александра дійсно буде виглядати дуже темною, оскільки під цим кутом немає конкуруючих джерел розсіяного світла, за винятком поверхневого відбиття.
