Драма, которая постоянно разыгрывается над нами в небесах, оказывает вполне физическое воздействие на нашу повседневную жизнь. Иногда мы смотрим вверх, затаив дыхание: что-то там, там наверху, заставляет нас замереть на несколько мгновений. Когда солнечный свет озаряет воздух, небо обращается в театральную сцену со множеством форм, цветов и оттенков. Иногда величественные облака не предсказывают грозной погоды, а словно бы служат демонстрацией того, сколь искусна кисть художника. Это природа как искусство. Порой мы просто поражаемся тому, что происходит в вышине, но не оставляем попыток объяснить и понять происходящее…

Радуга

Я уверен, что не только мы, фанаты погодных явлений, восхищаемся каждый раз, когда видим радугу в небе. Когда она появляется, вы начинаете надеяться на горшочек с золотом под дугой[20] или декламировать «каждый охотник желает знать, где сидит фазан».[21] Английское слово rainbow – калька с латинского выражения arcus pluvius, то есть «дождевая дуга». На радугу обращали внимание давно, она фигурирует в разнообразных мифах. Радуга даже появляется в девятой главе книги Бытия, согласно которой это знак, данный Богом Ною и его семье как символ того, что Он больше никогда не погубит Землю в потопе.

Радуга говорит нам о том, что одновременно идет дождь и светит Солнце. Это помогает ответить на вопрос о возникновении радуги. Физически она не существует – ее нельзя потрогать, это оптический феномен, возникающий при взаимодействии солнечного света, капелек воды и вашего глаза. Поскольку последний элемент уникален для каждого, любая радуга индивидуальна для любого человека. Тот, кто стоит в нескольких метрах от вас, видит несколько не ту радугу, чем вы: дело в том, что свет достигает задней стенки вашей сетчатки под разными углами.

Чтобы получилась радуга, нужны солнечный свет и капельки воды, но не только: важно, чтобы Солнце светило у вас из-за спины, а водяные капельки находились спереди. Для того чтобы объяснить, почему мы видим эту великолепную цветную дугу, придется обратиться к физике. Когда солнечный свет попадает на сферическую водяную капельку, он частично отражается обратно, но в большей степени он проникает внутрь капли и искривляется под другим углом – это явление известно как рефракция. Частично свет попадаетна заднюю стенку капли, от которой отражается внутрь. Угол этого отражения составляет около 42 градусов, однако разные цвета и отражаются слегка по-разному, из-за чего белый солнечный свет рассеивается и расщепляется на цвета спектра: например, фиолетовый цвет имеет наименьшую длину волны и отражается под большим углом, чем красный.

Когда свет движется обратно, по направлению к вашему глазу, вы видите весь спектр цветов – от красного до фиолетового. Хотя обычно мы видим в радуге полоски красного, оранжевого, желтого, зеленого, синего и фиолетового цветов, в реальности все они расплываются друг в друге. Красная часть радуги всегда оказывается с внешней стороны дуги, а фиолетовая – с внутренней, и даже если вы не видите весь промежуточный спектр, цвета всегда располагаются в одном и том же порядке. Если только перед вами не вторичная, двойная радуга.

Теоретически все радуги должны быть двойными, потому что солнечный свет отражается в дождевой капле дважды. На практике же, поскольку во время второго отражения свет выходит наружу, он часто бледнеет, поэтому цвета получаются менее отчетливыми. Вторая радуга, кроме того, больше размером и занимает большую часть неба. Когда свет отражается вторично, последовательность цветов становится обратной, так что на внешнем краю второй радуги будет фиолетовый цвет, а за ним – синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый и, наконец, красный.

Можно также отметить, что небо между двумя радугами более темное. Дело в том, что в этой полосе остается не так много света, который мог бы дойти до вашего глаза. Интересно, что эта область получила название полосы Александра – в честь Александра Афродисийского, впервые описавшего ее в 200 г. н. э.

Еще один оптический феномен, который вам, возможно, доводилось наблюдать – отраженная радуга. Она выглядит почти как двойная, но ее дуги идут по разным кривым. Или же вы могли видеть третью дугу внутри двойной радуги. Отраженные радуги чаще всего наблюдаются, когда рядом находится какой-то крупный водоем – например, море или озеро, – но встречаются они очень редко. Солнце отражается от поверхности воды, а затем отражается вновь – сквозь дождевые капли, под другим углом к пучку прямых солнечных лучей, создающему основную радугу. Перевернутая радуга часто начинается в той же точке горизонта, но центр дуги располагается выше в небе, так что эта кривая выглядит не так, как первичная радуга.

Лунная радуга вызывается не солнечным, а лунным светом; в остальном же они формируются совершенно одинаково. Лунная радуга выглядит более блекло, ее цвета менее отчетливы; она даже может порой казаться белой. Дело в том, что лунный свет значительно слабее солнечного, так что он меньше возбуждает цветовые рецепторы глаза. Интересно, что если сфотографировать лунную радугу с длинной выдержкой, на фотографии цвета проступят.

Конечно, не всегда радуга образуется исключительно после дождя. Если вы стоите спиной к Солнцу, перед вами есть капли воды, и вы располагаетесь под нужным углом, то радугу можно увидеть рядом с водопадом, в тумане или даже при поливке сада из шланга!

Возможно, вам доводилось видеть в небе околозенитную дугу, но вы не понимали, на что именно смотрите. Их замечают часто, называя их «перевернутыми» радугами или «улыбками неба», поскольку спектр цветов изгибается дугой не в небо, а к земле. В отличие от радуги, где цветовой спектр формируется благодаря рефракции водяных капелек, этот оптический феномен требует наличия в небе ледяных кристаллов. Большую часть времени околозенитная дуга наблюдается в перистом или перисто-слоистом облаке, которые как раз из ледяных кристаллови состоят. Поскольку эта красочная дуга образуется посредством отражения и рефракции солнечного света в ледяных кристаллах, она относится к другому классу оптических явлений, которые называются гало. Иногда можно увидеть полный 360-градусный круг вокруг Солнца, именуемый 22-градусным гало, или даже обнаружить паргелии (они же пасолнца или ложные солнца), которые появляются на три и на девять часов от настоящего Солнца.

Чтобы понять, как образуются околозенитные дуги, нам снова потребуется немного физики. Структура ледяного кристалла может быть довольно сложной и зависит от температуры и давления окружающей среды. Но все кристаллы имеют общие характеристики: у них два основания и шесть боковых сторон – это шестигранные призмы. Околозенитные дуги образуются, когда эти призмы ориентированы горизонтально и как будто уложены стопками, как тарелки. Свет от Солнца проникает в эту стопку тарелок, начиная с верхней, и выходит сбоку, через вертикальную грань призмы. Угол (90 градусов) этой рефракции внутри кристалла расщепляет белый свет на цвета спектра, которые вы и видите. Вполне вероятно, что вы проводили подобные эксперименты на уроках в школе, когда направляли луч света на белый лист бумаги через призму и видели выходящие из нее разноцветные полоски.

Для того чтобы возникла околозенитная дуга, высоко в небе должны присутствовать перистые или перисто-слоистые облака. Часто такие облака затуманивают солнечный свет, делают его молочно-белым. Когда солнце стоит низко, можно увидеть дугу на двенадцать часов. Центр ее всегда обращен к солнцу, с внешней стороны цвет дуги красный, с внутренней спектр доходит до голубого или синего.

Почти в тех же условиях, то есть при наличии в небе множества перисто-слоистых облаков, состоящих из ледяных кристаллов, вы можете увидеть 22-градусное гало, или ложное солнце. Гало – это большой диск вокруг Солнца, однако если в околозенитной дуге вы без труда можете различить отдельные цвета, то гало выглядит более размытым – четко виден разве что оттенок красного. Гало опять же образуется посредством рефракции солнечного света сквозь шестигранную призму ледяных кристаллов. Ориентация призмы при прохождении света сквозь нее различна, почему и получается гало в одном случае и дуга в другом. Большинство лучей преломляются под углом, близким к 22 градусам, и образуют яркую внутреннюю кромку гало – отсюда и название.

Гало – не только дневное оптическое явление. Если луна в небе достаточно яркая (например полная) и присутствуют перисто-слоистые облака, то происходят те же физические явления и можно увидеть бледное 22-градусное гало вокруг луны.