Радуга и гало эффект

Содержание

Кто не видал радуги? Это красивое небесное явление наблюдается при дожде и всегда привлекает наше внимание. Часто думают, что яркая многокрасочная радуга бывает лишь перед окончанием дождя. Это неверно. Нередки случаи, когда радуга появляется и перед началом дождя. Можно наблюдать радугу и независимо от дождя.

Радуга и история наблюдений

Посмотрите, например, на брызги воды у фонтана, освещенные солнцем, и вы заметите в них маленькую радугу, подобную небесной.

В прежние времена, когда люди еще очень мало знали об окружающем их мире, радугу считали «небесным знамением». Так, древние греки говорили, например, что радуга — это улыбка богини. Попытки научно объяснить явление радуги жестоко преследовались церковниками.

В начале XVII века был отлучен от церкви и приговорен к смертной казни итальянский ученый Доминис, который пытался объяснить радугу естественными причинами.

Радуга и исследование явления

После открытия спектральных цветов стало ясно, что и в небесной радуге мы наблюдаем солнечные лучи, разложенные в спектр. Радуга возникает в тех случаях, когда лучи солнца преломляются в каплях дождя. При этом более всего отклоняются от своего первоначального направления фиолетовые лучи видимого спектра, а менее всего красные. В результате и возникает разложение солнечного света в спектр.

Чтобы увидеть радугу, наблюдателю надо стоять спиной к солнцу, между солнцем и каплями дождя, в которых происходит преломление и отражение солнечных лучей. Так как цветные лучи выходят из капли под разными углами, то ясно, что от каждой капли в глаз наблюдателя может попасть лишь один какой-либо цветной луч.

От самых верхних капель попадут в глаза наблюдателя лишь красные лучи: ведь они отклоняются при преломлении меньше всех. От капель, лежащих ниже, в глаз попадут уже оранжевые лучи. Капли, лежащие еще ниже, пошлют в глаза желтые лучи и так далее, до фиолетовых включительно.

Лучи, отражаемые соседними каплями, сливаются, и в результате наблюдатель видит ряд цветных полос — от верхней красной до фиолетовой нижней.

Радуга в виде дуги

Но почему же мы видим радугу в виде дуги? И это объясняется довольно просто. Соединив мысленно солнце со всеми точками, лежащими, скажем, на красной полосе радуги, получим конусообразную поверхность, ось которой проходит через глаз наблюдателя. Каждая капля на этой поверхности находится в одинаковом отношении как к Солнцу, так и к наблюдателю. Поэтому от всех этих капель в глаз наблюдателя и попадают одни красные лучи.

Сливаясь, они дают красную дугообразную линию. Такую же линию, но оранжевую, образуют находящиеся дождевые капли, ниже, и так далее. Так образуется радуга, которая видна до тех пор, пока дождевые капли падают достаточно часто и равномерно.

Яркость радуги зависит от количества капелек воды в воздухе и от их размеров. Установлено, что чем крупнее капли, тем ярче радуга. Вот почему радуга особенно ярка во время кратковременного летнего дождя, когда на землю выпадают частые крупные капли.

Замечено также, что от величины капелек зависит и вид радуги меняются яркость и ширина ее отдельных полос. Так, капли диаметром от 0,5 до 1 миллиметра дают радугу с яркими фиолетовой и зеленой полосами и с очень слабой голубой полосой.

Когда размеры капелек значительно меньше, в радуге мало заметна красная полоса, а более выделяется желтая. Например, капельки диаметром в 0,1 миллиметра и несколько меньше дают яркую, красивую радугу, несколько более широкую, чем обычно, в которой чистого красного цвета нет совсем.

Если в радуге ясно заметна белая полоса, то это означает, что величина капель дождя не превышает трех тысячных долей миллиметра.

В капле дождя белый солнечный луч преломляется. При этом различные его составляющие отклоняются от своего направления в разной степени; в результате происходит разложение света в спектр.

Преломление лучей в дождевой капле при образовании двойной радуги.

Чаще всего мы видим одну радугу. Однако нередки случаи, когда на небе появляются одновременно две радужные полосы, расположенные одна над другой. При этом у одной из них цвета полос располагаются в обратном порядке — верхняя часть дуги имеет фиолетовую окраску, а нижняя — красную.

Причина этого явления также установлена. Двойная радуга объясняется тем, что солнечные лучи дважды отражаются в каплях, находящихся выше капель, дающих обычную радугу. Поэтому, если при простом отражении в глаз попадает красный луч, то при двойном отражении наблюдатель увидит фиолетовый луч и т. д.

Так как при двойном отражении в капле поглощается больше световой энергии, яркость второй радуги всегда меньше, и она выглядит бледнее. Наблюдают, правда, довольно редко, и еще большее число радужных небесных дуг – три, четыре и даже пять одновременно.

Это интересное явление видели, например, в Санкт-Петербурге, когда во второй половине дня среди туч над Невой появилось четыре радуги. Такое явление происходит благодаря тому, что радуга может возникать не только от прямых, но и от отраженных солнечных лучей.

Схема образования радуги.

Это явление можно видеть на берегу морских заливов, больших рек и озер. Многократные радуги, наблюдаемые на небе одновременно, часто и вызываются наличием водной поверхности.

Такие радуги — обыкновенные и отраженные, опоясавшие небо, создают подчас очень красивую картину. Так как отраженные от водной поверхности лучи солнца идут снизу-вверх, то радуга, образующаяся в этих лучах, может выглядеть иногда совершенно необычно: «вверх ногами».

Иногда бывает видна ночная, лунная радуга. Она всегда слабее солнечной и наблюдается весьма редко. Увидеть ее можно после ночного дождя, когда из-за туч выглянет луна. Радуга появляется на небе в стороне, противоположной луне.

Гало эффект

Много самых различных суеверий и предрассудков было связано в прошлое время также с появлением на небе окрашенных светящихся кругов, ложных солнц, полос и крестов. Все эти явления, которые носят название «гало», или «галосы», чрезвычайно сильно действовали на воображение людей.

Причина их долго оставалась неизвестной, все они считались «чудесными».

В древности, люди видели в таких явлениях «небесные знамения», знаки «божьей воли». Каждое появление на небе ложных солнц, светящегося креста или столба суеверные летописцы связывали с каким-либо событием в жизни страны — с войной эпидемией и т. п.

И теперь, глядя на появляющиеся временами на небе различные, порой совершенно необыкновенные световые явления или слыша о них, даже иной непредубежденный человек, далекий от суеверия, приходит в изумление: как может такое явление получаться?

Гало вокруг луны.

Вот, например, какое удивительное явление наблюдали в Петербурге 29 июня 1790 года.

Около восьми часов утра вокруг солнца появились два радужных круга, один больше, другой меньше. Сверху и снизу к ним примыкали яркие полудуги, похожие на широкие рога. Солнце и радужные круги пересекала белая полоса, параллельно горизонту опоясывающая небо.

В местах пересечения этой полосы с малым радужным кругом сияли два ложных солнца: их стороны, обращенные к солнцу, были красны, а от противоположных сторон тянулись длинные светящиеся хвосты.

Три таких же пятна были видны и против солнца — на белой полосе. Шестое, очень яркое пятно блестело на малом радужном круге выше солнца. Все это держалось на небе около пяти часов.

Схема образования двойной радуги. Если в нижней дуге внизу видна фиолетовая полоса (Ф), а вверху красная (К), то в верхней — наоборот, внизу красная, а вверху фиолетовая.

Описанное сложное гало — большая редкость. Гораздо чаще на небе как днем, так и ночью — при свете Луны — появляются эти же светящиеся фигуры, но в отдельности — один светящийся радужный круг, одна светлая полоса или дуга, ложные солнца.

Реже наблюдают такие формы гало, как светящиеся столбы и кресты. Какова же причина этого причудливого, «необыкновенного» явления природы?

Гало обычно наблюдается, когда солнце или луну закрывают полупрозрачные облака – перисто-слоистые или перисто-кучевые. Высота этих облаков обычно составляет 5 — 6 километров, они состоят из мельчайших кристалликов льда, плавающих в воздухе.

Благодаря преломлению и отражению света в этих кристалликах и возникает гало. Образование гало возможно, однако, и при чистом, безоблачном небе. Это происходит в тех случаях, когда в атмосфере достаточно много кристалликов льда как отдельных элементов, без облачного образования.

Для появления яркого гало необходимо, чтобы ледяные кристаллы имели форму прямой шестигранной призмы. Правильная форма этих шестигранников получается, когда кристаллы льда образуются не очень быстро. Луч света, проходя через правильный шестигранник, преломляется.

Если такой шестигранник поворачивать вокруг своей оси, то световой луч, входя в одну из граней кристалла, будет выходить из других его граней под разными углами. Среди этих углов имеется некоторый наименьший угол, который при вращении шестигранной призмы изменяется сравнительно медленно.

Благодаря этому из множества кристалликов, плавающих в воздухе во всевозможных положениях и вращающихся при своем медленном падении, наиболее освещенными будут нам казаться те, которые находятся в положении, дающем наименьшее отклонение лучей света, а наш глаз будет воспринимать преломленные лучи только от этих кристалликов.

Такие кристаллики располагаются на определенном угловом расстоянии вокруг солнца. В этом месте небо и будет казаться нам сильно освещенным, на нем появляется светящийся круг — гало. Видимый радиус этого круга обычно около 22 градусов.

Формы кристалликов льда и схема преломления в них светового луча.

Проходя через кристаллики льда, солнечный луч не только преломляется, но и разлагается на свои составные части — цветные лучи. Поэтому светлое кольцо вокруг солнца бывает окрашено в радужные тона: внутренняя часть этого круга — красным, а наружная — синеватым цветом. Внутри круга небо кажется темнее.

Такие же круги, но менее яркие, можно видеть и ночью вокруг луны.

Так образуются гало-круги. Гало — ложные солнца — появляются на небе, когда солнце находится невысоко над горизонтом. Они располагаются на одной высоте с солнцем, обычно на угловом расстоянии 90 и 180 градусов.

Установлено, что такие гало образуются в случае, когда оси взвешенных в воздухе кристалликов льда расположены в двух взаимно перпендикулярных направлениях: вертикально и горизонтально.

Ложные солнца нередко бывают очень яркими. Поэтому-то в истории сохранились рассказы о «нескольких солнцах», одновременно появляющихся на небе.

Интересные явления связаны также с отражением света от кристаллов льда. Так, благодаря отражению лучей солнца от кристалликов льда, покрывающих поверхность снега, образуются гало в виде круга на снегу.

Вертикальные столбы

Иногда наблюдается яркий вертикальный столб длиной до 40 градусов, стоящий чаще всего над солнцем или луной. Это явление видно, когда солнце или луна находятся близ горизонта — выше или ниже его на несколько градусов.

Возникновение таких столбов также связано с отражением лучей от ледяных кристаллов, «плавающих» в атмосфере. Как показывают опыты и расчеты, они наблюдаются при отражении света от горизонтальных граней этих кристаллов.

Вспомним, что изображение луны, солнца, да и любого другого источника света, отраженного поверхностью воды, подернутой рябью, кажется нам сильно растянутым в длину. Такое же явление происходит при известных условиях и в воздухе, где роль отражателей выполняют мелкие кристаллики льда.

Зимой, в сильные морозы, можно видеть два светящихся столба по обе стороны солнца. Такие столбы — части дуг гало-круга, который весь не виден. Иногда появляется и горизонтальная светлая полоса, опоясывающая небо. В этом случае солнечные лучи отражаются от вертикальных граней ледяных кристаллов.

Суеверные представления порождают у людей «светящиеся кресты», которые бывают видны на небе. Это явление также не трудно объяснить. Кресты образуются, когда светящиеся вертикальные столбы пересекают видимую у солнца часть горизонтального круга.

В других случаях возможно пересечение светового столба, поднимающегося над солнцем, с верхней частью радужного круга. Все описанные формы гало чаще наблюдаются в странах с холодным климатом.

В Сибири светлые пятна около солнца называют «пасолицами», там к ним привыкли, и никаких суеверных страхов они не вызывают.

Ученый А. П. Моисеев начиная с 1917 года изучал различные гало, появляющиеся в районе Москвы. Он установил, что некоторые формы гало появляются на московском небе очень часто. Например, гало в виде круга видно каждый год в среднем 110 раз. Нередкое явление и ложные солнца.

По наблюдениям А. П. Моисеева, их можно видеть в среднем 25 раз в год, и чаще всего зимой. Во многих случаях светлые пятна не уступали в яркости солнцу.

Сложные формы гало наблюдаются значительно реже. За 25 лет А. П. Моисеев их видел 109 раз, из них 43 раза зимой. Ученый установил, что существует определенная зависимость числа гало от числа солнечных пятен.

Венцы в атмосфере

Другим оптическим явлением в атмосфере, на которое издавна люди обращали свое внимание, служат венцы — цветные кольца, появляющиеся в туманные дни и ночи вокруг луны, солнца, а иногда и вокруг ярких звезд. Наблюдаются они и тогда, когда солнце и луна закрываются тонкой пеленой облаков.

Венцы имеют радужную окраску, цвета здесь располагаются в обратном порядке в сравнении с гало: внутренняя часть кольца окрашена в голубоватый цвет, а в наружная – в красный. Часто к наружная такому венцу примыкают добавочные цветные кольца.

Размеры венцов различны. Нередко они почти сливаются с луной или солнцем, в других случаях — отстоят от них на несколько градусов.

Причиной появления радужных венцов вокруг небесных светил служит явление дифракции света. Оно заключается в том, что лучи белого света при известных условиях отклоняются от своего прямолинейного пути и разлагаются при этом на цветные лучи.

Так бывает, например, когда свет проходит через мельчайшие отверстия. Дифракция света в воздухе наблюдается, когда лучи света проходят между теми мельчайшими капельками воды или кристалликами льда, из которых состоят облака.

Если облако состоит из капелек воды, венцы не так ярки. Красивые, радужные венцы наблюдают лишь при облаках, состоящих из маленьких кристалликов льда. Для образования венца необходимо также, чтобы размеры капелек воды и кристалликов льда в облаке были приблизительно одинаковы.

Чем крупнее капельки и кристаллики в облаке, тем меньше размеры венцов. Поэтому, когда в облаке происходит постепенное увеличение капелек воды или кристалликов льда, венец делается все меньше и наконец становится незаметным. Теперь выросшие кристаллики льда могут дать гало.

Образование радужного венца вокруг искусственного источника света – лампочки, можно нередко наблюдать в помещении, где в воздухе много пара.

Явления, некогда казавшиеся людям загадочными и необъяснимыми, ныне раскрыты наукой. Световые явления в воздухе изучает атмосферная оптика. Изучение учеными различных явлений, которые связаны с прохождением света в атмосфере, используются для развития метеорологии, для предсказания погоды.

Новикова Н.Г.