Радуга, венцы, гало

В религиозных представлениях народов древности радуге приписывалась роль моста между землей и небом. В греко-римской мифологии известна даже особая богиня радуги – Ирида. Греческие ученые Анаксимен и Анаксагор считали, что радуга возникает за счет отражения Солнца в темном облаке. Аристотель изложил представления о радуге в специальном разделе своей «Метеорологии». Он считал, что радуга возникает благодаря отражению света, но не просто от всего облака, а от его капель.
В 1637 году знаменитый французский философ и ученый Декарт дал математическую теорию радуги, основанную на преломлении света. Впоследствии эта теория была дополнена Ньютоном на основании его опытов по разложению света на цвета с помощью призмы. Дополненная Ньютоном теория Декарта не могла объяснить одновременного существования нескольких радуг, различной их ширины, обязательного отсутствия в цветных полосах некоторых цветов, влияния размеров капель облака на внешний вид явления. Точную теорию радуги на основе представлений о дифракции* света дал в 1836 году английский астроном Д. Эри. Рассматривая пелену дождя как пространственную структуру, обеспечивающую возникновение дифракции, Эри объяснил все особенности радуги. Его теория полностью сохранила свое значение и для нашего времени.
* Дифракция – отклонение световых волн в область геометрической тени при прохождении их через узкие отверстия или вблизи небольших препятствий (размеры отверстий и препятствий должны быть сравнимы с длиной волны).
Радуга – это оптическое явление, возникающее в атмосфере и имеющее вид разноцветной дуги на небесном своде. Наблюдается она в тех случаях, когда солнечные лучи освещают завесу дождя, расположенную на противоположной Солнцу стороне неба. Центр дуги радуги находится в направлении прямой, проходящей через солнечный диск (хотя бы и скрытый от наблюдения тучами) и глаз наблюдателя, т.е. в точке, противоположной Солнцу. Дуга радуги представляет собой часть круга, описанного вокруг этой точки радиусом в 42°30' (в угловом измерении).
Наблюдатель иногда может одновременно увидеть несколько радуг – главную, побочную и вторичные. Главная радуга представляет собой цветную дугу на каплях удаляющейся дождевой пелены и возникает она всегда со стороны неба, противоположной Солнцу. При Солнце на горизонте высота верхнего края главной радуги составляет в угловой мере 42°30'. При подъеме Солнца над горизонтом видимая часть радуги понижается. Когда Солнце достигает высоты 42°30', для наблюдателя на земной поверхности радуга будет не видна, однако если в момент ее исчезновения подняться на башню или мачту корабля, то радугу можно увидеть снова.
При наблюдении с высокой горы или с самолета радуга может иметь вид полной окружности. Еще Аристотель математически доказал, что Солнце, местонахождение наблюдателя и центр радуги находятся на одной прямой. Поэтому чем выше над горизонтом поднимается Солнце, тем ниже опускается центр радуги. В пересеченной местности радугу можно наблюдать и на фоне ландшафта.
Интересно расположение цветов в радуге. Оно всегда постоянно. Красный цвет главной радуги расположен на ее верхнем крае, фиолетовый – на нижнем. Между этими крайними цветами следуют друг за другом остальные цвета в такой же последовательности, как в солнечном спектре. В принципе в радуге никогда не бывают представлены все цвета спектра. Чаще всего в ней отсутствуют или слабо выражены синий, темно-синий и насыщенный чисто красный цвета. С увеличением размеров капель дождя происходит сужение цветных полос радуги, сами же цвета становятся более насыщенными. Преобладание в явлении зеленых тонов обычно указывает на последующий переход к хорошей погоде. Общая картина цветов радуги имеет размытый характер, так как образуется она протяженным источником света.
Над главной радугой располагается побочная с чередованием цветов, обратным главной. Угловая высота верхнего края побочной радуги составляет 53°32'. Кроме того, со стороны фиолетового конца главной радуги иногда можно наблюдать радуги вторичные, преимущественной их окраской является зеленая и розовая. В редких случаях вторичные радуги отмечаются и со стороны фиолетового края побочной радуги. Вторичные радуги более широки в высоких слоях дождевой пелены, где капли дождя имеют меньшие размеры.
Если приписать каждой вновь появляющейся радуге свой номер, то цифрами 1 и 2 будут обозначаться главная и побочная радуги, остальные номера будут относиться к радугам вторичным. 1, 2, 5 и 6-я радуги располагаются на стороне неба, диаметрально противоположной Солнцу, 3, 4, 7 и 8-я – вблизи Солнца. Третья радуга, например, наблюдается в пелене дождя выше Солнца, четвертая – на этой же стороне, но ниже Солнца, пятая – со стороны противосолнца над побочной радугой. Радуги высоких порядков постепенно все более теряют в яркости и поэтому в естественных условиях наблюдаются редко. При искусственном воспроизведении явления в лаборатории удавалось получать до 19 радуг. Над водоемом могут наблюдаться дополнительные радуги, расположенные друг относительно друга неконцентрично. Для одной из них источником света является Солнце, для другой – его отражение от водной поверхности. В этих условиях могут встречаться и радуги, расположенные «вверх ногами».
Ночью при лунном освещении и туманной погоде в горах и на берегах морей можно наблюдать белую радугу. Такой тип радуги может возникать и при воздействии солнечного света на туман. Она имеет вид блестящей белой дуги, с внешней стороны окрашенной в желтоватый и оранжево-красный цвета, а изнутри – в сине-фиолетовый. В некоторых случаях белая радуга сопровождается побочной и вторичными радугами. У побочной белой радуги в сравнении с главной обратное чередование цветов.
Если радуга образована действием лунного света на капли дождя, то она выглядит белой. В некоторых случаях она кажется белой только вследствие малой интенсивности света. Такого типа радуга при укрупнении капель дождя может перейти в цветную. Наоборот, цветная радуга может потерять окраску, если дождь превратится в мелкокапельный туман. Как правило, при наличии мелких капель окраска радуги выражена слабо.
Радуга наблюдается не только на пелене дождя. В меньших масштабах ее можно увидеть на каплях воды у водопадов, фонтанов и в морском прибое. При этом в качестве источника света могут служить не только Солнце и Луна, но и прожектор.
Кроме радуги, в атмосфере наблюдается еще несколько Дифракционных явлений. Среди них чаще можно видеть венцы. Венцами называются цветные кольца, непосредственно прилегающие к небесным светилам (Солнцу, Луне, планете). В туманную погоду венцы: наблюдаются и на искусственных источниках света у земной поверхности (уличные фонари, фары автомобилей).
Непосредственно у светил или у наземных источников света располагается цветной круг или ореол, в котором цвета меняются от голубовато-белого с внутренней стороны через желтоватый до красного со стороны внешней. Размеры красного края ореола обычно составляют несколько градусов, в верхнем пределе до 5°, но встречаются ореолы и несколько меньше 1°. Не всегда в ореоле представлены все упомянутые выше цвета. Иногда он может состоять из беловатого сияния с примыкающей к нему извне красной каймой. Встречаются и такие ореолы, в которых отсутствует желтоватый цвет. За верхним краем ореола обычно следуют менее яркие цветные кольца общим числом не более трех с таким же распределением цветов, как в ореоле. Научное объяснение явления венцов было дано немецким ученым И. Фраунгофером.
Венцы наблюдаются в тех случаях, когда источник света перекрывается тонким слоем водяного или ледяного облака. Лучше они образуются на облаке, состоящем из частиц примерно одинакового размера. В водяных облаках с каплями разнообразных размеров венцы не имеют полного развития и обычно сводятся к одному ореолу.
С увеличением размеров капель венцы уменьшаются в размерах и при достаточно больших каплях исчезают совсем. Такая эволюция венцов указывает на ухудшение погоды. На ледяных облаках с большим количеством примерно одинаковых по размерам кристаллов венцы имеют чистые насыщенные цвета и достигают наиболее полного развития. Красивую картину венцов дают перистые облака. На облаках нижнего яруса венцы чаще состоят из одного ореола, причем, если плотность капель в различных направлениях неодинакова, они могут иметь и несимметричный вид.
Существует группа явлений, которые наблюдаются благодаря преломлению и отражению света ледяными кристаллами перистых облаков. Это гало (от греческого «галос» – круг), горизонтальный круг, касательные дуги и ложные солнца и луны. Наиболее часто среди них наблюдается гало в 22° – так называется описанный около светила светящийся круг радиусом в угловой мере в 22°, окрашенный в красный цвет и резко очерченный с внутренней стороны, и имеющий фиолетовую окраску, постепенно сливающуюся с синевой неба со стороны внешней. Красная окраска изнутри и фиолетовая снаружи объясняется различным преломлением световых лучей в кристаллах. При слабом лунном свете цвета гало не воспринимаются глазом, и тогда оно имеет вид белого круга. Гало в 46° – описанный вокруг Солнца или Луны светящийся круг радиусом в 46°. Распределение в нем цветов такое же, как в предыдущем гало, но наблюдается оно реже и не всегда имеет полное развитие. Горизонтальный круг, который проходит через светило параллельно горизонту, представляет собой белый светящийся круг, иногда часть круга. Касательные дуги, обращенные выпуклостью к светилу дуги у гало в 22° и 46°, окрашены в красный цвет со стороны светила и в фиолетовый – с противоположной стороны. В точках пересечения гало и горизонтального круга возникают яркие цветные или белые пятна. Это ложные солнца или луны. Они имеют красную окраску со стороны, обращенной к светилу. Иногда ложные солнца или луны наблюдаются самостоятельно, без гало, нередко за ними в сторону от светила тянутся световые хвосты.
Кристаллы перистых облаков могут быть ориентированы в атмосфере беспорядочно, горизонтально и вертикально; Гало в 22° образуется за счет преломления света в ледяных призмах с преломляющим углом в 60° при их беспорядочной ориентации, а ложные солнца и луны – на таких же призмах, но с вертикальной ориентацией. Касательные дуги возникают на кристаллах с преломляющим углом также в 60°, но преломляющие ребра этих кристаллов располагаются в атмосфере горизонтально. Все явления, связанные с гало в 46°, образуются как и в случае гало в 22°, но преломляющий угол кристаллов при этом составляет 90°.
Развитие горизонтального круга происходит за счет отражения света от кристаллов, ориентированных вертикально. Именно поэтому горизонтальный круг имеет белую окраску. Первая теория гало была дана французским физиком Э. Мариоттом.
Как правило, гало наблюдается перед приходом на данную территорию циклона или при прохождении циклона в некотором отдалении от места наблюдения. Перистые облака, на которых оно возникает, имеют вертикальную протяженность около 1,6 км.
Интересно отметить, что такое красивое атмосферное явление, как гало, иногда сопутствовало некоторым событиям истории. В «Слове о полку Игореве» рассказывается, что перед наступлением половцев и пленением Игоря «четыре солнца засияли над русской землей». Воины восприняли это как знак надвигающейся большой беды.
В 1551 г. после длительной осады войсками императора Карла V немецкого города Магдебурга в небе над городом вдруг появилось гало с ложными солнцами. Среди осаждавших это вызвало переполох. Они восприняли гало как «небесное знамение». Решив, что в защиту осажденных выступил сам бог, Карл V приказал снять осаду города. История сохранила немало и других примеров подобного рода. Все они – убедительное свидетельство того, что невежество делает человека рабом природы, заставляет его преклоняться перед ее слепыми силами.