Почему радуга имеет форму дуги?

Природа часто удивляет нас своими загадками, и радуга — одно из самых ярких воплощений её волшебства. Возникая после дождя на фоне рассеянных облаков, она кажется почти мистической дугой, соединяющей небо и землю. Однако за этой красотой скрывается строгая физика, объясняющая не только происхождение цветов, но и характерную форму радуги. Чтобы понять, почему мы видим её именно как дугу, нужно погрузиться в мир оптики и геометрии, где каждая капля воды становится крошечной призмой, а солнечный луч — художником, рисующим спектр на небесном холсте.

Основой для возникновения радуги служит взаимодействие света с каплями дождя. Когда солнечный луч попадает в каплю, он преломляется на её поверхности, разделяясь на спектральные цвета из-за явления дисперсии — разложения белого света на составляющие его волны разной длины. Красный свет, имеющий наибольшую длину волны, отклоняется меньше, чем фиолетовый, что и создаёт градиент оттенков.

Однако ключевой этап — это отражение преломлённого света внутри капли. Луч, войдя в каплю, отражается от её внутренней стенки и лишь затем выходит обратно, снова преломляясь на выходе. Именно этот двойной изгиб — входное преломление, отражение и выходное преломление — формирует направление, под которым цветные лучи достигают глаз наблюдателя.

Почему дуга?

Но почему эти лучи складываются именно в дугу? Ответ кроется в геометрии углов. Для каждой капли существует строгий угол, под которым отражённый свет может попасть к наблюдателю. Для первичной радуги этот угол составляет около 42 градусов относительно направления солнечных лучей.

Представьте, что Солнце находится у вас за спиной, а дождь идёт впереди. Все капли, расположенные под углом 42 градуса к воображаемой линии, соединяющей ваши глаза и Солнце, будут отражать свет именно в вашем направлении. Множество таких капель образуют невидимый конус с вершиной в вашей точке наблюдения: основание этого конуса — окружность, часть которой мы и видим как радугу.

Однако возникает вопрос: если капли образуют окружность, почему мы видим лишь дугу? Всё дело в положении наблюдателя относительно горизонта. Когда вы стоите на земле, нижняя часть «радужного конуса» скрыта под поверхностью, а верхняя ограничена высотой дождевых облаков. Таким образом, радуга кажется дугой, чья форма зависит от высоты Солнца над горизонтом.

Например, на рассвете или закате, когда Солнце низко, дуга становится почти полукругом. Если же наблюдать радугу с высоты, например, из самолёта, ничто не помешает увидеть её полную окружность — в этом случае капли, отражающие свет, окружают наблюдателя со всех сторон.

Интересно, что вторичная радуга, которая иногда возникает снаружи первичной, образуется за счёт двойного отражения света внутри капель. Это отражение увеличивает угол до 52 градусов, а также инвертирует порядок цветов. Но даже она сохраняет форму дуги, подчиняясь тем же законам оптики.

Таким образом, дугообразная форма радуги — это результат сочетания физических процессов в каплях воды и геометрических ограничений человеческого восприятия. Каждая капля вносит свой микроскопический вклад в общую картину, а наше положение на Земле «обрезает» идеальную окружность до величественной дуги.