Двойная радуга — это оптическое явление, при котором в небе одновременно появляются две цветные дуги: яркая первичная и более бледная вторичная. Обе возникают, когда солнечный свет преломляется и отражается в каплях воды. Вторая дуга появляется потому, что часть света успевает дважды отразиться внутри капли, прежде чем выйти наружу. Поэтому она расположена выше основной, выглядит шире и бледнее, а цвета в ней идут в обратном порядке.
Внутренняя дуга двойной радуги называется первичной, внешняя — вторичной.
У первичной радуги красный край находится снаружи, а у вторичной — внутри, поэтому красные полосы двух дуг обращены друг к другу.
Угловой радиус первой радуги составляет примерно 40—42°, второй — около 50—53°.
Между двумя дугами часто заметен более темный участок неба — полоса Александра.
Точного ответа, насколько редко встречается двойная радуга, нет: возможность увидеть ее зависит от положения Солнца, дождя, размера капель и прозрачности воздуха.
Что такое двойная радуга и как она выглядит
Двойной называют радугу, у которой кроме яркой основной дуги видна еще одна — более крупная и бледная. Это не раздвоение одной полосы и не две радуги от разных дождевых облаков. Перед наблюдателем одновременно появляются радуги первого и второго порядков, сформированные светом, который по-разному проходит через капли воды.
Обе дуги представляют собой части окружностей с общим центром. Он находится в антисолнечной точке — направлении, прямо противоположном Солнцу. Поэтому для наблюдателя Солнце оказывается за спиной, а радуга — впереди. Обычно с поверхности земли видна только верхняя часть окружности: остальное скрывается за горизонтом. С большой высоты, например из самолета, при подходящих условиях можно увидеть почти полную или полную окружность.
Первая дуга располагается ближе к антисолнечной точке. Ее угловой радиус составляет около 40—42°. Вторая проходит снаружи на расстоянии примерно 50—53° от той же точки. Между ними остается промежуток шириной около 9°, поэтому на небе две радуги хорошо отделены друг от друга.
Отличается и расположение цветов. У первичной радуги красная часть находится с внешнего края, а фиолетовая — с внутреннего. Во вторичной все наоборот: ближе к первой дуге располагается красный цвет, а снаружи — фиолетовый. Если смотреть сразу на обе радуги, их красные края обращены друг к другу.
Привычное деление радуги на семь цветов условно. Солнечный спектр непрерывен: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый не разделены четкими границами, а постепенно переходят один в другой.
Вторичная дуга обычно заметно шире первой — примерно в 1,8 раза. При этом она выглядит менее яркой: ее насыщенность составляет примерно 43% от общего светового потока первичной. Визуальная разница еще сильнее: этот свет распределяется по более широкой области неба. На вид радуги также влияют размеры капель, плотность дождя и состояние атмосферы.
Еще одна характерная деталь двойной радуги — темная область между дугами. Она называется полосой Александра в честь древнегреческого философа Александра Афродисийского, описавшего это явление примерно во II—III веках н. э. Затемнение связано с тем, под какими углами свет выходит из капель после одного и двух внутренних отражений. Между угловыми положениями двух ярких дуг к наблюдателю поступает значительно меньше рассеянного света.
Почему появляется двойная радуга и как образуется
Радуга появляется, когда солнечный свет проходит через множество капель воды в воздухе. Внутри каждой капли происходят преломление, отражение и дисперсия. Последняя означает, что разные участки видимого спектра преломляются немного по-разному: показатель преломления воды зависит от длины волны. Поэтому из первоначально белого солнечного света выделяются отдельные цвета.
Для обычной, первичной радуги путь света можно представить так:
Луч попадает из воздуха в каплю и преломляется.
Свет разлагается на спектр, поскольку разные длины волн отклоняются неодинаково.
Луч один раз отражается от внутренней поверхности капли.
При выходе обратно в воздух он снова преломляется.
Свет определенного цвета попадает в глаз наблюдателя под соответствующим углом.
Наиболее интенсивные лучи первичной радуги выходят в направлении примерно 42° от антисолнечной точки. Красный свет преломляется слабее фиолетового, поэтому у основной дуги он оказывается снаружи.
Но после первого отражения из капли выходит не весь свет. Часть продолжает двигаться внутри и отражается еще раз. Именно эти лучи создают вторичную радугу:
Свет входит в каплю и преломляется.
Первый раз отражается от ее внутренней поверхности.
Затем отражается второй раз.
Выходит из капли, снова преломляясь.
Попадает к наблюдателю уже под другим углом.
После двух внутренних отражений наиболее яркие лучи выходят примерно под углом 50—53°. Изменяется и взаимное расположение лучей разных цветов, поэтому порядок спектра во второй радуге оказывается обратным.
При этом две дуги не создаются двумя конкретными каплями. Каждая капля направляет к наблюдателю лишь часть света под определенным углом. Видимая радуга складывается из света огромного количества капель, расположенных в разных местах дождевой завесы. Когда геометрия подходит сразу для лучей после одного и двух внутренних отражений, наблюдатель видит две концентрические дуги.
Эта же геометрия объясняет полосу Александра. После одного внутреннего отражения основная концентрация света приходится на область около 42°, после двух — примерно на 51°. В промежутке между этими направлениями к наблюдателю поступает намного меньше света, поэтому небо между двумя дугами радуги кажется темнее.
Вторичная радуга менее четкая прежде всего из-за второго внутреннего отражения. При каждом взаимодействии с поверхностью капли часть энергии уходит по другим направлениям. Кроме того, оставшийся свет распределяется по более широкой дуге. На фоне облаков или светлого неба внешняя радуга поэтому может быть едва различима, даже если первичная выглядит очень яркой.
Теоретически свет способен отразиться внутри капли и три, и четыре, и больше раз. Так возникают радуги третьего и последующих порядков. Однако с каждым отражением они становятся слабее. Третью радугу к тому же приходится искать со стороны Солнца, где слабую цветную дугу трудно различить на фоне яркого неба. Поэтому в обычных условиях две радуги — практически предел того, что можно увидеть невооруженным глазом.
Каков шанс увидеть двойную радугу
Вычислить вероятность в процентах невозможно. Нельзя сказать, что двойная радуга возникает, например, после каждого десятого или сотого дождя: результат зависит сразу от положения Солнца и наблюдателя, количества капель в воздухе, их размеров, облачности и освещения. Кроме того, вторичная дуга может физически формироваться, но быть слишком слабой и незамтеной для глаза.
Для наблюдения нужны несколько условий:
Солнце находится за спиной наблюдателя.
Перед ним есть дождь, водяные брызги или другая достаточно плотная взвесь капель.
Между Солнцем и дождем нет плотной облачности, полностью перекрывающей прямой свет.
Солнце расположено достаточно низко над горизонтом.
Внешняя дуга не теряется на фоне облаков, дымки или слишком яркого неба.
Подходящие условия часто возникают после короткого ливня или грозы: дождь впереди еще продолжается, а позади наблюдателя облака уже расходятся и пропускают прямые солнечные лучи. Поэтому хорошее время для поиска двойной радуги — утро или вторая половина дня, когда Солнце стоит сравнительно невысоко.
Если основная радуга уже хорошо видна, вторую нужно искать снаружи от нее — на видимой части неба обычно выше.
Вопросы и ответы
В разделе ответили на вопросы о двойной радуге.
Почему вторая радуга всегда находится выше первой?
Строго говоря, она находится не выше, а снаружи первичной дуги. Ее угловой радиус составляет около 50—53°, тогда как у первой радуги — примерно 40—42°. С поверхности земли внешняя дуга обычно действительно выглядит расположенной выше.
Почему цвета в двойной радуге расположены наоборот?
Во вторичной радуге свет дважды отражается внутри капли. Из-за другой геометрии выхода лучей порядок цветов меняется: красный оказывается у внутреннего края второй дуги, а фиолетовый — у внешнего.
Какая из двух радуг ярче?
Первичная. Свет, формирующий вторичную радугу, проходит еще одно внутреннее отражение и теряет больше энергии. Кроме того, внешняя дуга шире, поэтому ее свет распределяется по большей площади неба.
Что такое полоса Александра?
Это темная область между первичной и вторичной радугами. Она появляется из-за распределения света, выходящего из капель после одного и двух внутренних отражений: в промежуток между двумя дугами направляется значительно меньше света.