Что такое радуга видео
Как устроена радуга. Часть 1: первичная радуга
Вы никогда не задумывались, как устроена радуга? Ну, кроме мнемонических фраз про охотника и фазана, крота и фуфайки, и Жака и фонарь? Давайте разбираться.
Начнем мы с первичной радуги (как раз ее мы обычно и называем радугой), а с остальными эффектами разберемся в следующий раз.
Яркая первичная радуга. Обратите внимание, что небо внутри радуги более светлое, чем снаружи.. Также видно тусклую вторичную радугу в верхних углах снимка.
Чтобы увидеть радугу, нужны солнце и дождь (лампочка и поливочный шланг тоже подойдут), но не все цветные полоски и круги на небе являются радугой. Например, галО можно увидеть намного чаще, чем радугу.
Дополнительные радуги (фиолетовые полоски) расположены близко к внутреннему краю первичной радуги. В правом верхнем углу видно вторичную радугу.
— Свет в каплях воды
Радуга формируется сферическими каплями воды. Капли дождя никогда не бывают в форме той вытянутой слезы, которую нам с детства показывают. Маленькие капли имеют строго сферическую форму за счет силы поверхностного натяжения воды. Более крупные капли немного приплюснуты набегающим потоком воздуха (все-таки капли падают) и могут даже дрожать и колебаться, меня свою форму.
Рассмотрим поближе, что происходит с лучом света в капле воды. Если он попадет в каплю точно по центру, то часть его пройдет прямо насквозь, а часть отразится обратно ровно на 180 градусов. Если же луч немного сместиться от центра капли, то станет немного интересней:
Луч солнца падает на каплю недалеко от ее центра (рисунок а), он немного преломляется, так как оптическая плотность воды выше, чем у воздуха, и проходит до противоположной стороны капли. Там часть света выходит наружу (еще раз немного преломившись), а остальной свет отражается. Он снова проходит каплю и снова часть его выходит наружу (эта часть света нас и интересует в этом описании, так как формирует первичную радугу), а часть снова отражается и идет дальше. Все эти остальные отражения нам сейчас не нужны.
Традиционно отклонение измеряется от направления падающих лучей. Для рисунка (а) угол отклонения составляет 173,7 градуса.
Если отрисовать все лучи (для верхней половины капли), то получится такая картина:
Вообще, в этом анализе не нужно относиться к термину световой луч очень серьезно. Чистая геометрическая оптика не может объяснить все наблюдаемые эффекты. Но для крупных капель диаметром около одного миллиметра использование лучей является хорошим приближением. Ниже будут попадаться картинки и расчеты, которые в том числе учитывают дифракцию света.
Традиционно цвета радуги описываются как красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. На самом деле наш глаз различит в ней намного больше оттенков, но все эти цвета радуги не чистые.
На рисунке ниже показана интенсивность света разной длины волны (цвета) в зависимости от угла.
Радуга представляет собой наложение цветовых дуг разных цветов. В результате мы наблюдаем смешанные цвета. Кажды цвет в радуге имеет примесь с бОльшей длиной волны. Это можно продемонстрировать и немного другим графиком:
Как мы разобрались раньше, лучи не могут отклонится меньше, чем на минимальный угол отклонения. Поэтому снаружи радуги (дальше, чем 42,5 градуса от центра) небо более темное, чем внутри.
Классическая радуга образуется довольно большими каплями дождя, и в них дифракционные эффекты почти не проявляются. Для сравнения взглянем на цвета радуги, образованной каплями поменьше, диаметром 0,7 мм. Дуга каждого цвета имеет не только главную часть (самая правая яркая часть), но и несколько дополнительных дуг меньшей интенсивности.
Пурпурные, розовые и зеленые полосы дополнительных радуг (нижняя часть рисунка) появляются в результате смешения дополнительных цветовых колец. Например, первая фиолетавая дуга (40,6 градуса) получилась в результате наложения главного синего кольца и дополнительных красного и желтого колец. Вторая фиолетовая дуга (40 градусов) получается смешением главного фиолетового кольца и вторыми дополнительными кольцами красного цвета. Зеленые кольца очень тусклые и видны благодаря контрасту с розовым и пурпурным.
Просто для сравнения: цвета в таком типе галО, как околозенитная дуга (циркумзенитная дуга), намного более чистые:
Лучи, образующие первичную радугу, формируют конус:
Его вершина находится в глазу наблюдателя, а ось параллельна лучам солнца и направлена в антисолнечную точку. Миллионы капель, находящиеся рядом с поверхностью этого конуса, отражают свет в глаз наблюдателя и формируют изображение цветной дуги. Капли вовсе не обязательно должны находится радом, они могут быть на расстоянии несколько метров или даже километров друг от друга. Расстояние не имеет значения, радуга будет выглядеть точно так же.
Тем не менее, капли, не находящиеся на поверхности конуса радуги могут находится на этой поверхности для какого-нибудь другого наблюдателя. У каждого наблюдателя свой собственный конус радуги, поэтому каждый видит свою собственную радугу. Это легче всего понять, наблюдая радугу из движущегося поезда или автомобиля. Она остается неподвижной для наблюдателя. Строго говоря, оба наших глаза тоже видят разные радуги. Этот эффект сильнее всего заметен при небольшом расстоянии до капель, например, при наблюдении за поливочным шлангом.
Во время восхода или заката центр радуги (антисолнечная точка) расположен точно на линии горизонта и мы можем наблюдать радугу размером в половину окружности. Чем выше солнце над горизонтом, тем ниже опускается центр радуги.
Очевидно, что когда солнце поднимется почти на 42 градуса, только самая вершина радуги может быть видна над горизонтом. Поэтому летом радугу чаще всего можно наблюдать утром и вечером, когда солнце не очень высоко.
Часть радуги иногда можно видеть даже ниже линии горизонта, если капли находятся на фоне поверхности. Радугу размером больше, чем половина окружности, можно наблюдать с самолета или в горах.
Ширина и яркость радуги зависит от размера капель. Узкие радуги с яркими цветами формируются крупными каплями диаметром в несколько миллиметров. Капли меньшего размера формируют более широкую дугу с менее насыщенными цветами. Совсем мелкие капли дают туманную радугу и белую радугу.
Туманная радуга (fogbow):
На рисунке ниже показаны расчитанные радуги для разного диаметра капель (в микрометрах).
Чем больше капля, тем Уже радуга, и тем ближе к ней внутренние дополнительные дуги. Для капель больше 1 мм в диаметре эффект дифракции незначителен, и мы наблюдаем яркую насыщенную радугу и почти не видим дополнительных радуг.
В облаке или в тумане капли обычно имеют диаметр меньше 0,1 мм (100 микрометров). Радуги, формируемые каплями промежуточного размера (0,1-0,5 мм), часто наблюдаются в брызгах водопадов.
Эффект размера капель можно увидеть на снимках дождевальной установки:
Ближе к главной струе капли имеют бОльший размер и дают узкую яркую радугу (верхний снимок). После того, как опрыскиватель отвернется, большие капли первыми падают на землю, а оставшиеся мелкие капли формируют более широкую и менее насыщенную радугу (нижний снимок).
Классическая геометрическая оптика не может объяснить эффект размера капель. Причина в волновой природа света.
В классическом представлении (левая часть рисунка ниже) каждый фрагмент радуги сформирован двумя лучами, которые прошли через каплю двумя разными путями (мы разбирались выше, что все углы, кроме минимального, могут получаться при разном смещении падующего луча). Их интенсивности просто складываются.
Фазовый сдвиг и, как результат, интерференция сильно зависят от угла отклонения луча. В результате этот эффект дает максимальную интенсивность света на углах, близких к минимальному углу отклонения, а так же создает дополнительные радуги с внутренней стороны основной дуги.
На картинке ниже показаны расчитанные радуги для двух размеров капель (0.8мм и 0.4мм) и для разного света (голубой свет для верхнего рисунка и солнечный свет для нижнего).
На рассвете или на закате, когда солнце низко над горизонтом (а на самом деле ниже горизонта), его лучи проделывают длинный путь в атмосфере. Синий и зеленый свет быстро рассеиваются, и остается только длинноволновый красный свет. Он-то и формирует такую необычную радугу. Кстати, на этом снимке видно, что внутренняя часть радуги тоже красная. Поскольку других цветов в ней нет, они не примешиваются к красному и не превращаются в тусклый белый свет.
Теперь-то вы знаете про радугу всё! Ну, или почти все 🙂 В следующий раз разберемся со вторичной радугой и еще несколькими оптическими явлениями.
Использованные материалы: Les Cowley, Kenneth Beard, Wikipedia, фото радуг из интернета.
Наука | Научпоп
6.1K постов 69K подписчиков
Правила сообщества
ВНИМАНИЕ! В связи с новой волной пандемии и шумом вокруг вакцинации агрессивные антивакцинаторы банятся без предупреждения, а их особенно мракобесные комментарии — скрываются.
Основные условия публикации
— Посты должны иметь отношение к науке, актуальным открытиям или жизни научного сообщества и содержать ссылки на авторитетный источник.
— Посты должны по возможности избегать кликбейта и броских фраз, вводящих в заблуждение.
— Научные статьи должны сопровождаться описанием исследования, доступным на популярном уровне. Слишком профессиональный материал может быть отклонён.
— Видеоматериалы должны иметь описание.
— Названия должны отражать суть исследования.
— Если пост содержит материал, оригинал которого написан или снят на иностранном языке, русская версия должна содержать все основные положения.
Не принимаются к публикации
— Точные или урезанные копии журнальных и газетных статей. Посты о последних достижениях науки должны содержать ваш разъясняющий комментарий или представлять обзоры нескольких статей.
— Юмористические посты, представляющие также точные и урезанные копии из популярных источников, цитаты сборников. Научный юмор приветствуется, но должен публиковаться большими порциями, а не набивать рейтинг единичными цитатами огромного сборника.
— Посты с вопросами околонаучного, но базового уровня, просьбы о помощи в решении задач и проведении исследований отправляются в общую ленту. По возможности модерация сообщества даст свой ответ.
— Оскорбления, выраженные лично пользователю или категории пользователей.
— Попытки использовать сообщество для рекламы.
— Многократные попытки публикации материалов, не удовлетворяющих правилам.
— Нарушение правил сайта в целом.
Окончательное решение по соответствию поста или комментария правилам принимается модерацией сообщества. Просьбы о разбане и жалобы на модерацию принимает администратор сообщества. Жалобы на администратора принимает @SupportComunity и общество пикабу.
Офигеть. Это самый интересный пост за последнее время на Пикабу. Спасибо!
Каждый видит свою собственную радугу
Какая философская мысль.
Или есть отдельно и выше качаество:
Ну вот мне всего 24 годика,папа говорил что на конце радуги появляется сундук с сокровищами,а вы сейчас ломаете мне детскую психику,еще скажите что деда мороза не существует.
Очень интересно! Ничего не поняла, но очень интересно!
Вот честно, отсыпала бы вам сютню своих плюсов, здесь все равно такой пост не оценят. Это же не однотипная шутка про ношение масок, Пригожина или поправки. Даже кота нету и про цыган не пошутишь.
У нас вот такая была на днях))
Очень интересно!! Как раз на днях ходила и думала про радугу и как она появляется. И хотела поискать статьи, а тут этот пост! Прям спасибо!))
Ну коэффициент рефракции (преломления) же? Отличная статья, и досадная опечатка.
@daybit, показалось, что твой пост 🙂
Также обстоятельно и последовательно пишет )))
@hegny, отлично объясняешь. Пиши еще 👍
Классный пост, спасибо!
Почему в радуге нет розового цвета?
Сегодня гуляли в парке и увидели на небе интересные обломки радуги.
Спасибо за статью! Очень интересно оказалось. Буду ждать вторую часть.
Про радугу
Совсем немного о природе радуги
Как видеть четко без очков? | Минутная физика
Съемка движения пучка света с частотой 1 триллион кадров в секунду.
Пока это лучшее достижение человечества в высокоскоростной съемке.
Селенитовое зрение | Vsauce на русском
Майкл Стивенс рассказывает об особенностях нашего зрения, демонстрируя альтернативные варианты формирования изображения на сетчатке глаза с помощью минералов.
Оптическая морская мышь
На фотографии — морской многощетинковый червь Aphrodita aculeata, или морская мышь. Родовое название присвоил этим червям в 1758 году Карл Линней — в честь древнегреческой богини любви Афродиты. А слово aculeata в переводе с латинского означает «колючая, покрытая колючками». Эти животные обитают в Средиземном море и Северной Атлантике, а также у берегов Аляски. Они любят рыться в мягких грунтах в поисках животных и растительных остатков (см. видео), а также охотятся на мелких беспозвоночных. Типичный размер морской мыши 7,5–15 сантиметров, но некоторые достигают и тридцати.
Бока афродиты покрыты тонкими войлокоподобными и более толстыми, напоминающими иглы, щетинками (см. картинку дня Щетинки полихет), которые меняют цвет в зависимости от угла падения света. Причем толстые щетинки наиболее эффективно отражают красную и синюю части спектра, а тонкие — желтую, синюю и зеленую. Такое избирательное отражение определенных спектров — характерное свойство фотонного кристалла, материала, структура которого характеризуется периодическим изменением коэффициента преломления. У него есть разрешенные и запрещенные зоны для энергий фотонов: если на фотонный кристалл падает фотон с энергией, которая соответствует запрещенной зоне, то этот фотон не может распространяться в этом фотонном кристалле и отражается обратно. И наоборот, фотон с энергией, соответствующей разрешенной зоне, может распространяться в данном фотонном кристалле. Получается такой оптический фильтр, который отражает одну часть спектра, но пропускает другую.
Отражение света щетинкой морской мыши при различных углах падения лучей. Фото из статьи R. C. McPhedran et al., 2001. The Sea Mouse and the Photonic Crystal
Окраска, которая формируется не за счет пигментов, а благодаря физическим свойствам поверхностей, определенным образом преломляющих свет, называется структурной (см. Структурный цвет в живой природе). Щетинкам морской мыши структурную окраску (как и свойства фотонного кристалла) придает их строение, напоминающее дифракционную решетку: щетинки пронизаны многочисленными микроскопическими продольными каналами, образующими упорядоченную структуру. Каждый канал окружают шесть соседних каналов, получается такая «гексагональная упаковка». Толстые щетинки морской мыши, в отличие от тонких, полые внутри, но структура и свойства их поверхностей в целом похожи.
Микроструктура толстой щетинки морской мыши под сканирующим электронным микроскопом: (a) — стенка щетинки на поперечном срезе, (b) — микроскопические каналы на поперечном срезе щетинки крупным планом, (c) — микроскопические каналы на продольном срезе щетинки. Фото из статьи F. Mumm et al., 2010. A bio-originated porous template for the fabrication of very long, inorganic nanotubes and nanowires
Для чего морские мыши обзавелись фотонными кристаллами, неизвестно. Есть версия, что структура щетинок афродит помогает снизить сопротивление песка и ила при зарывании в субстрат, а оптические свойства — всего лишь побочный эффект. В любом случае такое изящное в своей простоте изобретение природы может помочь людям при создании микроструктурированных оптических волокон, позволяющих, к примеру, преобразовывать частоты лазерных импульсов в широком диапозоне или служить лекалом при изготовлении нанопроводов и нанотрубок.
Как образуется радуга?
Цветная радуга не существует, поскольку это лишь иллюзия, которая нам только кажется. Насколько известно учёным – ни одно живое существо в мире, кроме человека, увидеть её не в состоянии. И тем не менее она есть.
Её видят люди, живущие по ту или иную сторону земного шара, на островах или континентах, находящиеся на земле или летящие в воздухе. Яркая, цветная радуга появляется перед глазами восторженных зрителей, когда мелкие капельки дождя ещё падают на землю, а солнце находится за их спиной – и создаёт удивительную картину, даруя всем радость. Потому её так и назвали – радуга.
Чарующее явление в легендах мира
Человечество с прадавних времён задумывалось над природой этого феномена и почему, радуга и дождь так связаны друг с другом. Поэтому не удивительно, что с ней связано огромное количество самых разнообразных историй и легенд, большинство из которых – чрезвычайно оптимистичны.
В Старом Завете. Бог подарил людям это удивительное явление как символ нерушимости своего Слова. А пообещал Он Ною и его семье, что всемирного потопа люди больше никогда не увидят.
Для древних греков. Согласно древнегреческим мифам, по радуге с небес на землю к людям спускалась вестница богов Ирида.
У древних китайцев. Для китайцев радуга являлась небесным драконом, который означал единение Неба с Землёй.
У прадавних славян. Наши предки верили, что это удивительное явление служит волшебным мостом. По нему спускаются ангелы, набирают воду из рек, после чего выливают её в облака – после этого они орошают всё вокруг живительным дождём. Здесь радуга и дождь тесно взаимосвязаны.
Радуга для суеверных. Интересно, что далеко не все думали, что появление этого удивительного явления природы – к добру. Некоторые считали, что появление радуги приносит несчастье. Хотя бы потому, что по ней души умерших людей переходят в царство мёртвых, а значит её появление сигнализирует о чей-то близкой кончине.
Радуга и народные приметы. Естественно, народные приметы также не могли обойти это атмосферное явление стороной – люди, ориентируясь на него, пытались предсказывать погоду. Например, если радуга располагалась высоко и была более выгнутой – значит, погода будет хорошей, если же разноцветная дуга находилась низко и оказывалась растянутой – можно готовиться к ненастью.
Что представляет собой чарующее зрелище
Небезынтересно будет узнать, что за этим удивительным феноменом можно наблюдать не только днём, но также и ночью, в перистых облаках и даже во время тумана. При этом с земли она предстаёт перед нами в форме арки. А целиком её можно увидеть только тогда, когда мы будем во время её появления находится в самолёте, вертолёте, аэроплане или на высокой-превысокой горе.
Вот тогда и окажется, что на самом деле радуга имеет абсолютно круглую форму, поскольку увидеть её полностью мешает земная поверхность. А всё потому что капля, обладающая сферической формой и освещаемая пучком параллельного солнечного света, способна создать только окружность.
Солнечная
Солнечная радуга наиболее яркая их всех и именно её мы видим наиболее часто. Состоит она из огромного количества цветов. Основные оттенки этого феномена запомнить довольно легко, поскольку специально для этого было придумано немало стихов и поговорок, в первых буквах которых зашифрованы цвета радуги:
Несмотря на то, что мы считаем, что видим только эти семь цветов радуги, на самом деле, спектр абсолютно непрерывен – и наш глаз различает более полторы сотни оттенков. А всё потому что между этими цветами нет чёткой грани – а один и тот же цвет (белый) плавно переходит в другой через все оттенки.
Лунная
Теоретически, лунную радугу можно увидеть повсюду. Но на практике за ней наиболее часто наблюдают жители дождливой местности или живущие возле больших водопадов.
Она не настолько ярка, как солнечная, разглядеть её можно на противоположной от Луны стороне неба во время полнолуния (плюс-минус несколько ночей).
Ночное светило должно находится низко над горизонтом, небосвод – быть практически чёрным и, конечно, с другой стороны от Луны должен моросить дождь. Поводят даже параллели, дождь и радуга (если идет дождик, то вполне вероятно увидеть радугу), радуга и дождь (если появилась радуга, то погода может измениться).
Цвета лунной радуги рассмотреть непросто – её свет для наших глаз слишком слаб. Поэтому если нам посчастливится её заметить невооружённым новейшей техникой взглядом, то мы увидим лишь дугу белого цвета.
Туманная
Иногда туманную радугу путают с лунной, поскольку она обычно похожа на яркую сияющую широкую белую арку. С внутренней стороны она может быть слегка фиолетовой, с внешней – оранжевой.
Её можно увидеть тогда, когда солнечные лучи оказываются в слабом тумане, который состоит из малюсеньких водяных капелек (25 мкм), что преломляют и рассеивают белый свет. Чем они меньше, тем радуга белее, поскольку световые пучки в этом случае смешиваются, сначала становятся блеклыми, а потом и вовсе обесцвечиваются.
Огненная
Огненная радуга – чрезвычайно редкий феномен. Она абсолютно горизонтальна и выглядывает из-под перистых облаков, которые находятся на огромной высоте – 8-9 км над уровнем моря.
Наблюдать за ней можно только с земли, при этом дневное светило должно находиться под углом, превышающим 58°, в небе – проплывать перистые облака, которые состоят из шестигранных ледяных кристаллов и именно в этот момент находятся горизонтально (чтобы лучи Солнца могли свободно преломляться).
Перевёрнутая
Таким же редко встречаемым феноменом природы является перевёрнутая радуга. Для её появления также нужны перистые облака. Только ледяные кристаллы, должны выстроиться под нужным градусом, чтобы солнечные белые лучи могли разложиться на разные цвета и отразиться на небосводе.
Появление
Яркая, разноцветная арка появляется в основном или до, или после дождя, поскольку радуга и дождь связаны друг с другом. При этом солнечные (лунные) лучи обязательно должны проникать сквозь тучи, светило находится за спиной человека, а моросящий дождь – спереди. Если радуга появится утром или вечером (когда Солнце недалеко от горизонта), то она окажется большого размера, если днём (светило стоит высоко) — маленького.
Раскрасил её Ньютон, открыв дисперсию и объяснив этот процесс природы.
Если говорить коротко об этом феномене, то его можно объяснить, как оптическое явление, которое возникает, когда преломляются и отражаются лучи небесного светила в огромном количестве (часто доходящем до миллиона) дождевых капелек, и затем дождь и радуга видны человеческому глазу.
Радуга своими руками
Если кому-то постоянно не везёт, и он практически никогда не может увидеть этот природный феномен воочию, отчаиваться не стоит, ведь радугу каждый вполне может создать самостоятельно. Тут и возникает вопрос, как сделать радугу.
Вариант 1. Самый простой
Взять стеклянную призму, лист белой бумаги и выйти на Солнце. Повернуться к нему спиной и разместить призму таким образом, чтобы свет падал сквозь неё на лист. Радуга готова! Приближая и удаляя призму от бумаги, можно увеличивать или уменьшать разноцветное чудо.
Вариант 2. С водой-1
В данном случае призмой выступит стакан с водой, заполненный на три четверти. Дальше нужно действовать, как в первом варианте. В результате у вас получится дождь и радуга.
Вариант 2. С водой-2
Взять миску, наполнить её водой, найти белый лист бумаги и небольшое зеркало. Миску выставить на солнце, опустить зеркало в воду, притулить к краю посуды и повернуть так, чтобы на него падали световые лучи. После этого нужно двигать лист бумаги вдоль миски в поисках места, где на нём будет отображаться радуга.
Вариант 3. С CD-диском
Радугу вполне можно увидеть, используя диск. Это происходит из-за того, что его поверхность имеет огромное количество бороздок, которые исполняют роль маленьких призм.
Необходимо подойти к освещённому окну, закрыть его шторой таким образом, чтобы остался маленький просвет для световых лучей. Взять диск и разместить его так, чтобы на него попал солнечный свет, после чего нужно отразить луч с помощью диска на картон. Если наклонять диск в разные стороны, можно получить как радужную полоску, так и круговую радугу. Если вместо Солнца использовать фонарик, цвета радуги окажутся менее насыщенными.