Радуга, светлое кольцо вокруг Луны и цветные пятна по сторонам Солнца выглядят как разные проявления одного и того же явления. Однако атмосфера создаёт их разными способами: свет может преломляться в каплях, отражаться внутри них, огибать мелкие частицы или проходить через грани ледяных кристаллов. Поэтому для объяснения оптической картины важно учитывать не только наличие воды в воздухе, но и размер, форму и ориентацию частиц.
Эти эффекты помогают увидеть, что облако или туман состоят из множества отдельных капель и кристаллов, а не являются сплошной массой. По расположению и окраске световых дуг иногда можно предположить, какие частицы присутствуют в атмосфере. Но один визуальный признак не заменяет наблюдений за погодой: похожие формы могут возникать при разных условиях, а заметность эффекта зависит от освещения и положения наблюдателя.
- Четыре процесса, которые меняют свет
- Радуга: свет внутри водяной капли
- Гало: преломление в ледяных кристаллах
- Корона и глория: когда важен размер частиц
- Как различить распространённые явления
- Что можно узнать по оптической картине
- Практические ориентиры для наблюдателя
- Частые вопросы
- Почему радуга не имеет одинаковой яркости по всей дуге?
- Гало и корона — это одно и то же?
- Почему радуга появляется не у каждого наблюдателя в одном и том же месте?
- Можно ли увидеть полную окружность радуги?
Четыре процесса, которые меняют свет
Свет распространяется в воздухе, воде и льду по-разному. При переходе из одной среды в другую его направление меняется — это преломление. Белый солнечный свет при этом может разделяться на цвета: показатель преломления зависит от длины волны, поэтому красная и фиолетовая составляющие отклоняются неодинаково. Такое разделение называют дисперсией.
Отражение меняет направление луча на границе сред. В капле часть света отражается от внутренней поверхности, прежде чем выйти наружу, — так формируется основная радуга. Дифракция проявляется, когда свет взаимодействует с частицами, размеры которых сопоставимы с длиной световой волны: световые волны огибают препятствие и накладываются друг на друга. Результатом могут стать близкие к источнику света цветные кольца.
Рассеяние — более широкое понятие: оно описывает изменение направления света при взаимодействии с частицами. Например, молекулы воздуха особенно эффективно рассеивают коротковолновую часть видимого света, поэтому ясное дневное небо обычно кажется голубым. В оптических явлениях важна не только сила рассеяния, но и то, под каким углом свет приходит к наблюдателю. Один и тот же солнечный луч может быть незаметен для человека в одном месте и создать яркую дугу для человека в другом.
Радуга: свет внутри водяной капли
Для обычной радуги нужны солнечный свет и капли воды, например в дождевых облаках или водяной пыли. Свет преломляется при входе в каплю, отражается от её внутренней поверхности и снова преломляется, выходя наружу. Поскольку разные цвета отклоняются на разные углы, из капель к наблюдателю приходят лучи разных цветов, разделённые по направлению. Миллионы капель формируют не сплошной цветной объект, а совокупность световых сигналов.
В главной радуге красный цвет располагается снаружи дуги, а фиолетовый — ближе к её внутреннему краю. Её угловой радиус составляет примерно 42° для красной границы и около 40° для фиолетовой; это углы относительно направления, противоположного Солнцу. Поэтому Солнце обычно находится за спиной наблюдателя, а радуга — в стороне дождя. Если Солнце высоко над горизонтом, дуга оказывается низкой или может быть видна лишь частично; с земли нижнюю часть часто закрывает горизонт.
Иногда над главной радугой заметна более слабая вторичная. Она возникает после двух внутренних отражений света в каплях, поэтому выходит под большим углом и имеет обратный порядок цветов: красный находится у внутренней стороны, фиолетовый — у внешней. Между двумя дугами участок неба может выглядеть темнее окружающего фона, поскольку распределение вышедших из капель лучей там отличается. Внутри основной радуги иногда видны дополнительные узкие полосы, связанные с интерференцией световых волн и размером капель.
Гало: преломление в ледяных кристаллах
Гало — семейство светлых кругов, дуг и пятен вокруг Солнца или Луны. Многие распространённые гало связаны с преломлением света в ледяных кристаллах высоких облаков. Кристаллы имеют упорядоченную форму, часто с шестигранными гранями, а лучи меняют направление, проходя через границы между воздухом и льдом. Для наблюдателя важны также ориентация кристаллов и то, как они движутся в воздухе.
Один из наиболее известных вариантов — круг радиусом примерно 22° вокруг светила. Он появляется, когда свет проходит через определённые грани шестигранных ледяных кристаллов. Угол около 22° связан с геометрией кристалла и преломлением, а не с расстоянием до облака. Внешняя часть такого круга часто выглядит красноватой, но окраска может быть слабой: гало не всегда даёт яркие и чёткие цвета.
Светлые пятна по сторонам Солнца, расположенные примерно на уровне светила, называют паргелиями, или ложными солнцами. Их возникновение связано с преломлением света в ориентированных ледяных кристаллах, нередко имеющих форму плоских пластинок. Такие пятна могут быть заметны возле 22-градусного гало, но не являются просто отдельными участками радуги. Другие формы гало возникают при иных ориентациях кристаллов и траекториях световых лучей.
Корона и глория: когда важен размер частиц
Корона — небольшие цветные кольца непосредственно вокруг Солнца или Луны. Обычно она связана с дифракцией света на мелких каплях воды в тонком облаке. В отличие от гало, которое создают главным образом ледяные кристаллы, корона чаще наблюдается при наличии капель. Её кольца могут быть неодинаковыми по ширине и яркости: результат зависит от распределения капель по размерам и от их количества.
Слишком яркий солнечный свет мешает рассмотреть корону и может повредить зрение. Смотреть прямо на Солнце опасно, в том числе через оптические приборы; для наблюдений выбирают момент, когда светило закрыто плотным облаком или безопасно заслонено неподвижным объектом, не глядя на него через приборы. Лунную корону наблюдать проще, поскольку свет Луны значительно слабее солнечного. Даже в этом случае видимость цветных колец зависит от прозрачности облака и адаптации глаз к темноте.
Глория выглядит как цветные кольца вокруг точки, противоположной Солнцу. Она часто заметна с самолёта вокруг тени воздушного судна на облаке, а с земли может появиться на тумане или облачном слое ниже наблюдателя. Эффект связан с обратным рассеянием света каплями и волновыми процессами, включая дифракцию и интерференцию. Это не обычная радуга: глория располагается вокруг антисолнечной точки, а не образует большую дугу в направлении дождя.
Как различить распространённые явления
| Явление | Основные частицы | Главный процесс | Где искать относительно Солнца |
|---|---|---|---|
| Радуга | Капли дождя или водяной пыли | Преломление, дисперсия и внутреннее отражение | В стороне, противоположной Солнцу |
| Гало 22° | Ледяные кристаллы | Преломление на гранях кристаллов | Круг вокруг Солнца или Луны |
| Корона | Мелкие капли в облаке | Дифракция света | Непосредственно вокруг светила |
| Глория | Капли облака или тумана | Обратное рассеяние и волновые эффекты | Вокруг антисолнечной точки |
Таблица показывает типичные, а не единственно возможные условия. Атмосфера содержит частицы разных размеров и форм, а наблюдатель видит только ту часть светового рисунка, лучи от которой достигают его глаз. Поэтому границы между описаниями сложных оптических эффектов могут быть менее очевидны, чем в схематичной таблице.
Что можно узнать по оптической картине
Наличие гало указывает на то, что в облаках есть ледяные кристаллы, а корона обычно свидетельствует о присутствии капель подходящего размера. Радуга говорит о каплях воды, освещённых Солнцем под подходящим углом. Однако эти признаки не позволяют сами по себе точно определить высоту облака, его толщину или будущую погоду: для этого нужны другие наблюдения и метеорологические данные.
На видимый эффект влияют сразу несколько факторов: геометрия освещения, положение наблюдателя, форма частиц и распределение их размеров. Даже одинаковые капли могут давать разную картину, если меняется угол падения света. Кристаллы льда, в свою очередь, могут быть ориентированы случайно или преимущественно определённым образом, что меняет яркость отдельных частей гало. Поэтому оптическое явление — не просто «цвет облака», а результат взаимодействия света с множеством частиц и условий наблюдения.
Практические ориентиры для наблюдателя
- Если Солнце находится за спиной, а напротив него видна цветная дуга, вероятнее всего, это радуга.
- Если вокруг Солнца или Луны появился широкий светлый круг, возможное объяснение — гало в ледяных облаках.
- Если цветные кольца тесно окружают светило, это может быть корона; для наблюдения солнечной короны нельзя смотреть прямо на Солнце.
- Если цветные кольца видны вокруг тени наблюдателя на облаке или тумане, это может быть глория.
Частые вопросы
Почему радуга не имеет одинаковой яркости по всей дуге?
Капли различаются по размеру, их освещённость неодинакова, а часть света перекрывают облака и другие объекты. Кроме того, наблюдатель видит только лучи, направленные к нему под подходящими углами. Поэтому одна часть дуги может быть яркой, а другая — едва заметной или скрытой.
Гало и корона — это одно и то же?
Нет. Типичное гало образуется при преломлении света в ледяных кристаллах и занимает заметную область вокруг светила. Корона обычно связана с дифракцией на мелких каплях и выглядит как более тесные цветные кольца. По одному только оттенку уверенно определить явление не всегда возможно, но размер и положение колец дают важные подсказки.
Почему радуга появляется не у каждого наблюдателя в одном и том же месте?
Радуга формируется светом, который приходит к глазу от капель под определёнными углами относительно направления на Солнце. Когда человек перемещается, меняется набор капель, от которых к нему направлен такой свет. Поэтому радуга не является предметом, закреплённым в одной точке пространства: для каждого наблюдателя её видимое положение связано с его собственным положением и направлением взгляда.
Можно ли увидеть полную окружность радуги?
С самолёта или с высокой точки над дождём иногда можно увидеть значительно большую часть круговой радуги, чем с земли. На поверхности земли нижнюю часть обычно закрывает горизонт. Видимость зависит от того, где находятся дождевые капли и насколько свободен обзор вокруг наблюдателя.
