Сколько радуг на этом снимке?

В сентябре 2018 года над побережьем Нью-Джерси прошли остатки урагана «Флоренс». Когда дождь стал стихать, с одной стороны неба выглянуло низкое вечернее Солнце, а с противоположной поднялась радуга, у которой вместо одной цветной полосы оказалось сразу пять.

Фотограф Джон Энтуисл наблюдал за ней вместе с дочерью около получаса. Лишние полосы то разгорались, то бледнели, и в этот одиночный кадр их попало не меньше четырех, не считая самой радуги. Слева видна обычная дуга с красным внешним краем, а правее, с внутренней ее стороны, чередуются зеленоватые, розовые и лиловые полоски, каждая следующая слабее предыдущей.

Несколько радуг вплотную друг к другу

Такие полосы называются дополнительными дугами. Это не отдельные радуги, а часть основной: они всегда прижаты к ее внутреннему, фиолетовому краю и повторяют ее изгиб. Когда их видно одну или две, явление обычно и называют тройной радугой.

С двойной радугой их легко спутать по названию, но выглядят они иначе. Вторая радуга стоит далеко снаружи от первой, отделена от нее широкой темной полосой неба, и цвета в ней идут в обратном порядке. Дополнительные дуги промежутка не оставляют и лежат по другую сторону, внутри.

Почему обычное объяснение радуги здесь не работает

Привычная схема такая: луч входит в каплю, отражается от ее задней стенки и выходит обратно, а разные цвета при этом расходятся под немного разными углами. Отсюда получается одна дуга с красным краем снаружи и фиолетовым внутри. Подробно эта геометрия разобрана в статье про тень горы и центр радуги.

Эта схема объясняет одну дугу, а в случае двойного отражения в капле – вторую, внешнюю. Полосам внутри основной дуги в ней взяться неоткуда. Ньютон и его последователи знали о них, но объяснить не могли.

При чем тут интерференция света

Через каплю в одном и том же направлении могут выйти два луча, прошедшие внутри нее чуть разными путями. Один путь немного длиннее другого. Если представить свет как волну, то дальше все зависит от того, как эти волны сложатся: гребень с гребнем дают усиление, гребень со впадиной гасят друг друга. Это сложение волн и называется интерференцией.

Разница путей меняется с углом, поэтому усиление и гашение чередуются. Под одним углом капли выглядят яркими, чуть ближе к центру радуги темными, еще ближе снова яркими. Для каждого цвета получается свой набор полос, и вместе они складываются в зелено-розовую рябь на внутреннем краю дуги.

Тот же механизм красит мыльные пузыри и бензиновые пятна на лужах. Объяснил дополнительные дуги английский физик Томас Юнг в 1804 году, и это стало одним из первых доводов в пользу того, что свет – волна, а не поток частиц. Точный расчет в 1838 году выполнил астроном Джордж Эйри.

Почему дополнительные дуги видны не у каждой радуги

Расстояние между полосами зависит от размера капель: чем они мельче, тем полосы шире и дальше друг от друга. В обычном дожде капли самые разные, каждая рисует свой узор, и вместе они сливаются в ровный белесый фон внутри дуги.

Чтобы полосы проявились, нужно два условия:

• капли должны быть мелкими, меньше миллиметра;
• капли должны быть почти одинаковыми по размеру.

Над Нью-Джерси в тот вечер так и получилось: от урагана осталась ровная мелкая морось. Состав дождя менялся от минуты к минуте, поэтому дуги то появлялись, то пропадали.

Как увидеть дополнительные дуги самому

Ничего, кроме внимания, для этого не нужно, и в России условия для них те же, что и везде.

• Смотрите на внутренний край дуги, сразу под фиолетовой полосой.
• Смотрите ближе к вершине радуги: у оснований капли обычно крупнее и полосы смазаны.
• Больше шансов при мелком, затихающем дожде и яркой радуге на темном фоне туч.
• Фотографируйте сразу: рисунок держится недолго.

Источники

1. Supernumerary Rainbows – Atmospheric Optics, Les Cowley
2. Supernumeraries and drop size – Atmospheric Optics, Les Cowley