Оптичні явища пов’язані з наявністю в атмосфері крапель води та крижаних кристалів

При проходженні променів світла через хмари і зони дощу виникають особливі світлові явища, здебільшого всім добре відомі, наприклад веселка, гало, вінці біля світил і т.д. Усі ці явища можуть бути пояснені заломленням, відбиванням і дифракцією світла, що відбуваються на елементах хмари.

Веселка. Веселка являє собою добре відоме явище кольорової веселки, що виникає в зоні дощу і розташовується звичайно на фоні хмар з боку, протилежного сонцю, з центром дуги в антисолярній точці. Радіус веселки складає 42°, але нерідко вдається спостерігати ще другу веселку радіусом близько 52°, розташовану концентрично до першої. У першій веселці зовні розташовується червоний колір, а усередині фіолетовий, у другій веселці розташування кольорів зворотне. Інтенсивність розвитку окремих кольорів у веселці і їх ширини бувають різними і залежать, як показує теорія, від розмірів водяних крапельок, що обумовлюють утворення веселки. Іноді з внутрішньої сторони першої веселки і з зовнішньої сторони другої бувають видні вторинні кольорові дуги, число яких може доходити до шести. Найчастіше в них чергуються зелені і рожеві кольори. У деяких випадках, коли краплі дощу дуже малі, спостерігається біла веселка.

Веселка, що спостерігається при місячному світлі, здебільшого сприймається так само, як біла. Однак у цьому випадку білий колір веселки обумовлений головним чином властивостями сітківки ока (око в сутінках погано розрізняє кольори), а не розмірами дощових крапель.

Явище веселки пояснюється відбиванням і заломленням сонячних променів у водяних краплях. Вже в 1637 р. Декарт дав перше, хоча і не зовсім повне, пояснення явища веселки, що було потім доповнене Ньютоном.

Р озглядаючи монохроматичний промінь, що падає на краплю і потім вихідний з неї, можна визначити ту зміну його напрямку, що при цьому відбувається. Дійсно, візьмемо промінь деякої довжини хвилі λ, що падає на краплю під кутом падіння і. Входячи в краплю, він заломиться; позначимо кут заломлення через е. Як неважко бачити на рис.6 при вході в краплю напрямок променя змінюється на кут і — е, при кожному відбиванні усередині краплі промінь повертає на π — 2е і при виході з краплі кут його повороту буде знову і — е. Отже, якщо промінь відіб'ється усередині краплі k раз, то кут D, на який він відхилиться від свого початкового напрямку, може бути виражений у такий спосіб:

D=2(i-e) + k( -2e), (10)

або

(11)

Таким чином, паралельні промені, що падають на краплю, по виходу з неї виявляються розбіжними.