Полоска света падает на поверхность капли (рис. 27) и, как только проникает внутрь ее, изменяет свой прямолинейный путь – преломляется. Достигнув внутренней стенки капли, свет от нее отражается и выходит из капли, вновь преломившись на выходе. При таком двойном преломлении света в капле различные цветные лучи преломляются неодинаково. Белый луч света разлагается в спектр. Именно такое отражение и разложение испытывают отдельные лучи солнечного света в падающих дождевых каплях.
Рис. 27. Схема простого полного внутреннего отражения солнечных лучей в капле воды.
Отразившись в капле, полоска света выходит из нее в форме полого многоцветного конуса. Каждый такой конус состоит как бы из разноцветных стеклянных воронок, вложенных одна в другую: в красную – оранжевая, в оранжевую – желтая, в желтую – зеленая и т. д. Своим широким отверстием радужная «воронка» обращена к Солнцу. А так как мы видим радугу только тогда, когда стоим к Солнцу спиной (увидеть радугу сбоку нельзя), то, значит, «воронка» таким же образом обращена и к человеку, который видит радугу.
Однако все цвета «воронки», выходящие из одной капли, мы не видим, потому что отдельные цветные лучи преломляются, выходя из капли, неодинаково – одни меньше, другие больше. В глаза наблюдателя попадает всего лишь один какой-нибудь цветной луч, например зеленый. Все другие лучи, преломившиеся в этой капле, пройдут мимо – выше или ниже наших глаз. От другой капли в глаз наблюдателя попадает какой-либо другой луч, например красный, от третьей – фиолетовый и т. д.
При дожде лучи Солнца преломляются в мириадах падающих капель воды. Однако далеко не все эти лучи попадают нам в глаза. Когда мы наблюдаем радугу, мы видим только отдельные цветные лучи, идущие к нам от некоторых капель. Какие же эти капли? Как они расположены в воздухе?
Оказывается, все такие капли располагаются по окружности. Все капли на этой окружности находятся в одном положении к Солнцу и к наблюдателю. Только от этих капель радужные лучи попадают в наши глаза.
Но и таких капель в воздухе множество. Цветные лучи, рожденные этими каплями, сливаясь, дают нам яркую картину радуги. Перед нами возникает многоцветная полоса – часть радужного круга.
Вечером и утром, когда Солнце стоит низко, радуга имеет вид полного полукруга. Чем выше Солнце поднимается над горизонтом, тем радуга меньше. Когда Солнце находится над горизонтом выше 42 градусов, радуга совсем уходит за горизонт.
Это понятно – ведь в радуге мы видим солнечные лучи, разложенные на свои спектральные цвета. Значит, положение радуги на небе должно зависеть от положения Солнца. Чем выше оно расположено на небе, тем меньшую часть радужного круга мы увидим. Остальное будет скрывать горизонт. Поднявшись высоко в воздух, можно увидеть весь радужный круг.
Почему же, однако, мы видим в радуге ряд цветных полос, расположенных всегда в одном порядке? А вот почему.
Рис. 28. Рисунок показывает, почему мы видим в радуге цветные полосы, расположенные всегда в одном порядке.
Взгляните на рисунок 28. В капле дождя меньше всего преломляются лучи красного цвета, сильнее всего – фиолетовые лучи. Отсюда понятно, что от капель, расположенных по самому внешнему кольцу радуги, в глаза наблюдателя попадут только красные лучи (см. рис. 28). Наоборот, капли, расположенные по внутреннему кольцу радуги, пошлют в наши глаза фиолетовые лучи; все другие лучи упадут ниже. От капель, находящихся вне радужной полосы, мы не получим ничего. Все отраженные и преломленные этими каплями лучи не попадут в наши глаза, они будут проходить выше, ниже или в стороне. И, наконец, от капель дождя, расположенных между каплями, лежащими на внутреннем и на внешнем кольце радужной полосы, в наши глаза будут попадать все другие лучи спектра – желтые и оранжевые, синие и зеленые.
Если мы возьмем вертикальный ряд капелек, расположенных в -воздухе там, где мы видим радугу (см. рис. 28), самая верхняя из этих капелек пошлет в наш глаз красный луч. От капельки, лежащей ниже, мы увидим отраженный оранжевый луч. Следующие капельки дадут лучи – желтый, зеленый, голубой, синий. От самой нижней капли, находящейся в области радужной полосы, в глаз наблюдателя упадет фиолетовый луч.
Такое же отражение дадут и все другие капли дождя, находящиеся в воздухе в одинаковом отношении к Солнцу и к наблюдателю. А такие капли, как говорилось выше, располагаются по окружности.
Мириады этих капелек посылают в глаза наблюдателя множество разноцветных лучей. Сливаясь, лучи и создают впечатление ярких цветных дуг – от красной до фиолетовой, как бы вложенных одна в другую. Мы видим многокрасочный воздушный призрак – радугу.