astro-talks

Недавно в разговоре с вроде-бы образованным парнем столкнулся с тем, что он реально не понимает процесс образования радуги.

Мне даже стало интересно это простое явление - реально темный лес для большинства? Или все же среди участников, например, этого форума кто-нибудь мог-бы изложить процесс образования радуги, чуть дальше чем просто сообщение о том, что "лучи солнца преломляются в каплях падающего дождя". Например, показать почему в первой радуге красный снаружи, а фиолетовый внутри. Посчитать угол радуги по отношению к направлению на Солнце. Определить где небо светлее внутри радуги или снаружи? Почему во второй радуге порядок цветов обратный?

Стыдно признаться, от одного прочтения задачи голова заболела, какие уж там рассчеты
Предположу что радуга возникает из-за разного преломления разных спектров, а очередность цветов (прямая или обратная) из-за угла падения лучей (Т.е. зависит от того в какую сторону направлено преломление)

Это примерно как в ответ на вопрос об объяснении принципа работы 4-тактного двигателя внутреннего сгорания сказать, что он работает благодаря заправке бензином.

Ernest писал(а):Недавно в разговоре с вроде-бы образованным парнем столкнулся с тем, что он реально не понимает процесс образования радуги.

Увы, я из той же серии, что и тот парень. Зато, имею счастье не зная ответа попробовать догадаться. Насколько помню радуга находится на противоположной стороне от солнца. Поскольку имеет место разложение в спектр, от солнечный свет должен как то пройти сквозь воду (каплю). Видимо он проходит сквозь ближнюю к наблюдателью поверхность капли, отражается от внутренней поверхности и возвращается опять через внутреннюю поверхность разложенным в спектр. Вторая радуга, это наверное когда внутри капли луч отражается дважды.

Теперь осталось из геометрических соображений ответить на ваши вопросы. Или это все бред?

Порисовав лучи в сферической капле, и сравнив один "идеальный" луч который вообще не преломляется с нормальным лучем, который преломляется выходит, что тот который преломляется должен быть во внутренней части радуги. Т.е. порядок цветов (фиолетовый внутри красный снаружи) объяснить могу. На остальные вопросы ответить не могу.

Я тоже так подробно не смог бы объяснить.
Почитал википедию, стало более понятно. А вообще просто не задавался вопросом про радугу со школы.
Интересно.

Вогнали в краску.
Загуглил, про бензин я угадал
Про разное кол-во перертражений из-за угла падения не догадался.

Diff писал(а):Поскольку имеет место разложение в спектр, от солнечный свет должен как то пройти сквозь воду (каплю). Видимо он проходит сквозь ближнюю к наблюдателью поверхность капли, отражается от внутренней поверхности и возвращается опять через внутреннюю поверхность разложенным в спектр.

Если бы радуга возникала из-за простого прохода света через каплю то она (радуга) была бы видна в любом направлении - при условии одного внутреннего отражения у лучей света попавших в каплю есть бесконечное число вариантов выхода из нее. И наблюдатель бы видел в сторону дождя всего лишь повышенную белесость светорассеивания на каплях (что кстати и есть на самом деле). См. также белый цвет облаков, которые как известно состоят из капелек воды.

А что касается разложения в спектр, то свет проходя даже и через оконное стекло разлагается в спектр, что не приводит к окрашиванию окружающей действительности или появлению чего-то похожего на радугу.

Ключевой момент в образовании радуги это формирование каустики сферической аберрации при преломлении в капле параллельных пучков. Радугу невозможно понять без аберрационного расчета падающих на каплю световых пучков. По сути радуга живая иллюстрация к теме сферохроматизма.

Солнечный свет проходя через кристаллы люстры раскрашивают стены. Не радуга, конечно, но тоже преломление и переотражение.

А кто-нибудь Лунную радугу видел? Я в шоке, что такая бывает Хочу руку пожать очевидцу

Ernest писал(а): Ключевой момент в образовании радуги это формирование каустики сферической аберрации при преломлении в капле параллельных пучков. Радугу невозможно понять без аберрационного расчета падающих на каплю световых пучков.

Из вашего ответа понял только часть слов. Оконное стекло плоское, с ним все понятно. А капля сферическая. Я полагал, что мы видим именно свет от солнца, т.е. Луч от солнца должен пройти сквозь каплю отразится и попасть в глаз наблюдателю. Капля играет роль призмы так как поверхности не параллельны. Такое наверное случается только при некотором диапазоне угла наблюдатель - капля - солнце. Поэтому радуга локальна по углу. Нет?

Лунную радугу наблюдал в конце этого июля во время полнолуния и сильного ночного дождя. Первый раз в жизни. Специально вышел из дома, когда заметил, что южная часть неба очистилась от облаков и у горизонта засияла полная Луна.

Diff писал(а):Из вашего ответа понял только часть слов. Оконное стекло плоское, с ним все понятно.

То есть вам понятно, почему мы ни как не наблюдаем окрашивание заоконных предметов во все цвета радуги?
Вы полагаете, что плоскопараллельная пластина не преломляет свет? Вспоминайте хроматизм диагональных призм - а ведь они разворачиваются в ту же плоскопараллельную стеклянную пластинку.
Ну, а если преломляет, то должно быть и проявление хроматической дисперсии (см. прилагаемый рисунок).

А капля сферическая. Я полагал, что мы видим именно свет от солнца, т.е. Луч от солнца должен пройти сквозь каплю отразится и попасть в глаз наблюдателю. Капля играет роль призмы так как поверхности не параллельны. Такое наверное случается только при некотором диапазоне угла наблюдатель - капля - солнце.

Нарисуйте! Если вам лень я могу вам нарисовать десяток лучей прошедших через каплю и вышедших из нее под десятью разными углами по отношению к направлению падения. И во всех случаях, конечно, будет преломление, а следовательно и разложение в спектр. При том, что первичную радугу мы видим только под углами 40-42 градуса от направления падающего света.

Еще раз повторюсь, что простыми повторением слов преломление, дисперсия и свет явление радуги не описать, у нее очень сложная и тонкая математическая модель...

Ernest писал(а):То есть вам понятно, почему мы ни как не наблюдаем окрашивание заоконных предметов во все цвета радуги?
Вы полагаете, что плоскопараллельная пластина не преломляет свет?

Да нет. Я уж не настолько невежа. Просто, лучи выходят паралельно и наш глаз собирает их в точку, и никакого разложения не видит.

С каплей попробую нарисовать. Поразмыслив понял что запутался. Пока сдаюсь.

ага, с оконным стеклом разобрались - оно таки разделяет цвета, но глаз их потом опять смешивает в фокальной плоскости сетчатки в исходное (не окрашенное) состояние.

Ernest писал(а):ага, с оконным стеклом разобрались - оно таки разделяет цвета, но глаз их потом опять смешивает в фокальной плоскости сетчатки в исходное (не окрашенное) состояние.

Так же происходит и с капельками дождя. Вопрос только почему возникают максимумы, причём для каждой длины волны под своими углами.

Не торопитесь с легкими аналогиями. Из плоскопараллельной пластинки луч выходит расщепленный по спектру пучок параллельных лучей, которые продолжают свое дальнейшее путешествие рядом. Именно поэтому они и имеют шанс собираться глазом (фокусируются) назад в исходный цветовой тон.

Луч прошедший капельку дает на выходе веер расходящихся цветных лучей, которые просто не могут все вместе попасть в глаз достаточно удаленного (на сотни метров) наблюдателя, потому что при подходе к зрачку глаза между красным и фиолетовым уже может быть несколько метров. Шансов воссоединиться вместе на сетчатке глаза у этого веера нет и таким образом луч отраженный каждой отдельной достаточно удаленной капелькой окрашен строго в один цвет.

Ernest писал(а):Не торопитесь с легкими аналогиями. Из плоскопараллельной пластинки луч выходит расщепленный по спектру пучок параллельных лучей, которые продолжают свое дальнейшее путешествие рядом. Именно поэтому они и имеют шанс собираться глазом (фокусируются) назад в исходный цветовой тон.

Не очень понял. Почему получается пучок параллельных лучей? Ведь при выходе из стекла каждый луч будет преломляться опять по-разному.

Ernest писал(а):Луч прошедший капельку дает на выходе веер расходящихся цветных лучей, которые просто не могут все вместе попасть в глаз достаточно удаленного (на сотни метров) наблюдателя, потому что при подходе к зрачку глаза между красным и фиолетовым уже может быть несколько метров. Шансов воссоединиться вместе на сетчатке глаза у этого веера нет и таким образом от каждой отдельной достаточно удаленной капельки мы видим луч строго одного цвета.

Понятно. Но таких капелек много. Но одновременно к нам в глаз должен попадать весь спектр, т.е. опять должен получаться белый, только свет придёт от разных капелек. Но радугу мы всё же видим... Как же так?

Луч проходящий через оконное стекло не меняет своего направления (синус угла преломления в стекле равен синусу угла падения и выхода из стекла деленным на показатель преломления). Меняется только его смещение (параллельно самому себе). Красный (показатель преломления для него меньше) смещается меньше, синий - больше.

Но таких капелек много. Но одновременно к нам в глаз должен попадать весь спектр, т.е. опять должен получаться белый, только свет придёт от разных капелек.

Именно так - в одной точке изображения белого облака на сетчатке нашего глаза складываются цветные лучи пришедшие от многих капелек и исходный белый спектр Солнечного света восстанавливается.

Но и радугу мы все же видим - то есть некоторый угол между углом зрения и углом солнечных лучей относительно капли, в которых такое восстанавливающее смешение не происходит. В ответе на вопрос - почему и как и кроется разгадка тайны образования радуги (причем исчерпывающее объяснение имеется в даже в статье Википедии).

Ernest писал(а): Луч прошедший капельку дает на выходе веер расходящихся цветных лучей, которые просто не могут все вместе попасть в глаз достаточно удаленного (на сотни метров) наблюдателя, потому что при подходе к зрачку глаза между красным и фиолетовым уже может быть несколько метров. Шансов воссоединиться вместе на сетчатке глаза у этого веера нет и таким образом от каждой отдельной достаточно удаленной капельки мы видим луч строго одного цвета.

Меня смущает то, что луч паралельнай тому что на вашем рисунке с каплей, попадающий на нее немного в другом месте, на выходе может дать смещеный (относительно первого) веер цветных лучей, и опять получим смесь разных цветов.

Diff писал(а):Меня смущает то, что луч паралельнай тому что на вашем рисунке с каплей, попадающий на нее немного в другом месте, на выходе может дать смещеный (относительно первого) веер цветных лучей, и опять получим смесь разных цветов.

Правильно смущает - на выходе зеленые лучи от соседних (параллельных на входе в каплю лучей) немного разойдутся. И наоборот, сойдутся с синим и красным от соседей выше и ниже него - на выходе получится... все тот-же белый. В итоге смотрим через каплю (или стеклянный шар) на окружающую действительность и опять не видим радуги!

Как в том анекдоте: суслика видишь? - нет! - а он там есть!

Простая в школе объясняемая причина возникновения радуги просачивается сквозь пальцы.

Ernest писал(а):Простая в школе объясняемая причина возникновения радуги просачивается сквозь пальцы.

Ну я частично разобрался. Напрягшись я получил, что пучек параллельных лучей падающих на сферическую каплю, отражается в обратном направлении, но не параллельно, а в конус конечного размера. Для красных лучей (n=1.33) этот размер примерно 42-43 градуса, а для фиолетовых (n=1.344) чуть поменьше ~40. Поэтому внешняя часть радуги должна быть красной. А небо должно быть светлее внутри радуги.

Что мне не понятно: на месте фиолетового мы должны по идее видеть смесь всех цветов, на месте синего, смесь всех цветов кроме фиолетового и.т.д.

Ernest писал(а):

Diff писал(а):... И наоборот, сойдутся с синим и красным от соседей выше и ниже него - на выходе получится... все тот-же белый. В итоге смотрим через каплю (или стеклянный шар) на окружающую действительность и опять не видим радуги!
Как в том анекдоте: суслика видишь? - нет! - а он там есть!

Вы упоминали слово каустика, в википедии оно тоже упоминалось. Но не понятно как она получается. Почитал про каустику, всё равно не понятно.

PS: Я вчера наблюдал метеорный поток, видел даже большой и яркий болид.
Одновременно фоткал какое-то "скопление" галактик. И на 3х кадрах есть следы метеоров. Все 3 полосы параллельны на кадрах. Вот какая вероятность попасть в поле примерно в градус?! Правда я снимал недалеко от Персея, может это повлияло как-то...

Эрнест про радугу в двух разных постах

Ernest писал(а):Недавно в разговоре с вроде-бы образованным парнем столкнулся с тем, что он реально не понимает процесс образования радуги.
Мне даже стало интересно это простое явление - реально темный лес для большинства?

В другом посте

Ernest писал(а): Еще раз повторюсь, что простыми повторением слов преломление, дисперсия и свет явление радуги не описать, у нее очень сложная и тонкая математическая модель...

Ну... сначала надо заинтересовать и бросить вызов. Чтобы потом было чему удивиться.

Мы, к сожалению, возможно благодаря упрощениям школьной программы и школьных задачников, привыкли к тому что все окружающее нас объясняется и решается очень просто, типа дважды-два надо только формулу правильную подобрать - учитель подскажет. И чего это только поколения физиков головы себе ломали. Но практическое применение школьных знаний к окружающей действительности обычно ставит в тупик.

Diff писал(а):Что мне не понятно: на месте фиолетового мы должны по идее видеть смесь всех цветов, на месте синего, смесь всех цветов кроме фиолетового и.т.д.

Вы сильно продвинулись вперед, но вполне справедливое ваше недоумение верно подсказало вам, что что-то все же не так и с вашим "конусом"

Думайте куда применить понятие "каустики".

Кстати, если посмотреть на радугу через, к примеру, красное стеклышко, то внутренняя часть у нее действительно ярче наружной, но самое интересное, что граница между светлой сердцевиной и более темной наружной частью представляет из себя довольно яркий ободок (ярче внутренности). Именно так кстати и была видна лунная радуга в прошедшее полнолуние.

Ernest писал(а):Думайте куда применить понятие "каустики".

Ну все понял. Да действительно, лучи концентрируются у внешней границы конуса. Т.е. интенсивность света там больше, чем внутри конуса.
Правда, я не учитывал того что к-т отражения зависит от угла падения (Предполагал, через внешнюю границу капли проникает 100% света, а от внутренней свет один раз отражается 100%, а затем выходит наружу без отражения). Может, корректный учет этих факторов как то изменит результат