Объяснение всего комплекса радуги, со всеми неразгаданными, ее осо­бенностями, было сделано позже, когда была создана общая теория рас­сеяния (дифракции) световых лучей в атмосфере. В частности, стало ясно, что дополнительные дуги возникают вследствие интерференции лучей, ле­жавших но обе стороны от наименее отклоненного луча (луча радуги) и в непосредственной близости от него.

Размер и форма капель и их влияние на вид радуги

Расчеты по формулам дифракционной теории, выполненные для капель разного размера, показали, что весь вид радуги — ширина дуг, наличие, расположение и яркость отдельных цветовых тонов, положение дополнитель­ных дуг очень сильно зависят от размера капель дождя. Приведем основные характеристики внешнего вида радуги для капель разных радиусов.

Радиус капель 0,5—1 мм. Наружный край основной радуги яркий, темно-красный, за ним идет светло-красный и далее чередуются все цвета радуги. Особенно яркими кажутся фиолетовый и зеленый. Дополнительных дуг много (до пяти), в них чередуются фиолетово-розовые тона с зелеными. Дополнительные дуги непосредственно примыкают к основным радугам.

Радиус капель 0,25 мм. Красный кран радуги стал слабее. Остальные цвета видны по-прежнему. Несколько фиолетово-розовых дополнительных дуг сменяются зелеными.

Радиус капель 0,10—0,15 мм. Красного цвета в основной радуге больше нет. Наружный край радуги оранжевый. В остальном радуга хорошо развита. Дополнительные дуги становятся все более желтыми. Между ними и между основной радугой и первой дополнительной появились просветы.

Радиус капель 0,04—0,05 мм. Радуга стала заметно шире и бледнее, Наружный край ее бледно-желтый. Самым ярким является фиолетовый цвет. Первая дополнительная дуга отделена от основной радуги довольно широким промежутком, цвет ее белесый, чуть зеленоватый и беловато-фиолетовый.

Радиус капель 0,03 мм. Основная радуга еще более широкая с очень слабо окрашенным чуть желтоватым краем, содержит отдельные белые полосы.

Радиус капель 0,025 мм и менее. Радуга стала совсем белой. Она при­мерно в два раза шире обычной радуги и имеет вид блестящей белой полосы. Внутри нее могут быть дополнительные окрашенные дуги, сначала бледно-голубые или зеленые, затем белесовато-красные.

Таким образом, по виду радуги можно приближенно оценить размеры капель дождя, образовавших эту радугу. В целом, чем крупнее капли дождя, тем радуга получается уже и ярче, особенно характерным для крупных капель является наличие насыщенного красного цвета в основной радуге. Многочисленные дополнительные дуги также имеют яркие тона и непо­средственно, без промежутков, примыкают к основным радугам. Чем капли мельче, тем радуга становится более широкой и блеклой с оранжевым или желтым краем. Дополнительные дуги дальше отстоят и друг от друга и от основных радуг.

Вид радуги зависит и от формы капель. При падении в воздухе крупные капли сплющиваются, теряют свою сферичность. Вертикальное сечение таких капель приближается к элипсу. Расчеты показали, что минимальное отклонение красных лучей при прохождении через сплющенные капли радиусом 0,5 мм составляет 140°. Поэтому угловой размер красной дуги будет не 42°, а только 40°. Для более крупных капель, например радиу­сом 1,0 мм, минимальное отклонение красных лучей составит 149°, а крас­ная дуга радуги будет иметь размер 31°, вместо 42°. Таким образом, чем сильнее сплющивание капель, тем меньше радиус образуемой ими радуги.

Разгадан „секрет" добавочных дуг!

А. Фразер, рассмотрев одновременно влияние размера и формы капель на вид радуги, сумел раскрыть «секрет» возникновения добавочных дуг. Как только что было сказано, уменьшение размера преобладающих капель и сплющивание крупных действуют в противоположных направлениях. Что же пересилит? Когда и какое влияние будет преобладающим?

Наглядной иллюстрацией взаимодействия обоих факторов и совмест­ного их влияния на вид радуги являются рис. 3 а и б, составленные А. Фразером, на основании расчетов: На этих рисунках показано распреде­ление интенсивности света в основной радуге и дополнительных дугах в зависимости от размера капель.

Сложная волнообразная поверхность на переднем плане (рис.3 а) со­ставлена из многих индивидуальных кривых. Каждая кривая дает распре­деление и интенсивность света в радуге от одной капли. Каждая пятая кривая проведена потолще, цифры справа означают радиус капли, соответствующей кривой, в миллиметрах. Все кривые начинаются слева с очень малой интенсивности (вне радуг), затем быстро поднимаются до макси­мума между 138° и 139° (первая радуга). Следующий гребень справа — первая дополнительная дуга, за ней вторая дополнительная дуга и т. д. Расстояние между дугами, как видно из рисунка, быстро уменьшается при увеличении радиуса капель. Это действие первого фактора. Радуга ста­новится узкой при увеличении размера капель.

Верхняя кривая S — это результирующая сложения вкладов капель всех размеров. Она характеризует распределение интенсивности света в оконча­тельной радуге, которую мы видим.

137 138 139 140 141 142 143 144

Угловое расстояние от Солнца

137 138 139 140 141 142 143 144

Угловое расстояние от Солнца

Рис. 3. Распределение интенсивности света в основной радуге и дополни­тельных дугах в зависимости от размера капель.

а — без учёта сплющивания капель; б — с учетом сплющивания капель. S — суммарная кривая.

На рис.3 б показаны те же кривые, но теперь учтено влияние сплю­щивания капель, тем более сильное, чем крупнее капли. Индивидуальные кривые для крупных сплющенных капель смещены в сторону больших минимальных углов отклонения от Солнца (или, что то же, в сторону уменьшения радиусов радуг), и в результате вся волнообразная поверхность оказалась изогнутой вправо (индивидуальные максимумы ушли вправо). Это привело к тому, что на результирующей суммарной кривой появи­лись, помимо основной радуги, еще дополнительные дуги, на угловых рас­стояниях от Солнца: первая —140,5°, вторая —141,3°, третья — 142,4°, чет­вертая—142,5°.

Дополнительные дуги видны только вблизи вершины основной радуги, так как они образованы только вертикальными или близкими к ним лучами, прошедшими через эллиптические сечения капель.

Расчетами показано, но это можно проследить и по рис.3 б, что допол­нительные, дуги создаются в основном каплями размером от 0,2 до 0,3 мм. Более крупные и более мелкие капли дают максимумы, накладывающиеся друг на друга и слишком далеко отстоящие от основной радуги (они уходят вправо). Радуги капель диаметром 0,2—0,3 мм находятся в преимущест­венном положении, поскольку их максимумы никуда не сместились. Таким образом, можно сделать вывод, что дополнительные дуги видны, если в лив­невом дожде присутствуют в значительном, количестве капли радиусом 0,25 мм и мало более крупных капель, смазывающих картину. Поэтому дополнительные дуги чаще видны и наиболее красочны не в очень интенсив­ных летних ливневых дождях. Они появляются также на фоне завесы из мельчайших капель, образующихся при разбрызгивании воды в поливальных установках.