Радуга — оптическое явление, возникающее при преломлении, дисперсии и отражении солнечного света в каплях дождя.
Коротко по механизму:
- Белый солнечный свет содержит все видимые длины волн (цвета).
- При входе в каплю свет преломляется, и разные длины волн отклоняются под разными углами (дисперсия) — это раскладывает свет по цветам. Закон преломления (Снеллиус): $n_{\text{air}}\sin {\theta }_{\text{air}}=n_{\text{water}}\sin {\theta }_{\text{water}}$, где $n_{\text{air}}\approx 1.00,n_{\text{water}}\approx 1.33$.
- Внутри капли часть света отражается от внутренней поверхности (для первичной радуги—одна внутренняя отражения), затем свет снова преломляется при выходе из капли. Для определённого диапазона углов отклонения многих лучей создаётся концентрация света, что даёт яркую дугу — первичную радугу с угловым радиусом примерно $42^{\circ }$ (красный — около $42^{\circ }$, фиолетовый — около $40^{\circ }$).
- Вторичная радуга образуется при двух внутренних отражениях: она слабее, цвета в ней обращены в обратном порядке, её угловой радиус около $51^{\circ }$.
Как мы её видим в жизни:
- Центр радуги лежит на линии, противоположной Солнцу (антисолнечная точка). Радуга всегда поднимается над этой точкой: наблюдатель видит ту часть окружности, которая не закрыта горизонтом; из самолёта можно увидеть полный круг.
- Наличие дождевых капель на стороне, обращённой от Солнца, и солнца за спиной наблюдателя — обязательное условие. Чтобы увидеть первичную радугу, высота Солнца над горизонтом должна быть меньше примерно $42^{\circ }$ (иначе дуга упрячется ниже горизонта).
- Размер капель влияет на вид: крупные капли дают яркую чёткую радугу; мелкие — более размытые или видны сверхчисленные (интерференционные) полосы рядом с внутренней стороной основной дуги (супернумерарные радуги), которые требуют волновой физики для объяснения.
Дополнительно: тёмная зона между первичной и вторичной радугами называется полосой Александера; её объясняет распределение отклонений лучей для разных углов.
Это — краткое объяснение происхождения и условий появления радуги.