Туманная радуга

Белая радуга образуется в результате рассеяния света на каплях воды, существенно меньших, чем те, что присутствуют в воздухе при образовании обычной радуги. Исчезновение цветов при этом вызывается дифракцией света, влияние которой возрастает при уменьшении размеров капель[1][2].

Дифракция представляет собой явление, обусловленное волновой природой света. Одно из её проявлений состоит в том, что уменьшение поперечного сечения пучка света приводит к увеличению его расходимости, то есть пучок после уменьшения его сечения расширяется по мере дальнейшего распространения сильнее, чем пучок с исходным сечением.

Вызванное дифракцией увеличение угла, который образуют крайние лучи пучка друг с другом, называют дифракционной расходимостью ${\displaystyle \Delta \varphi }$[3]. Она связана с длиной волны света ${\displaystyle \lambda }$ и диаметром пучка ${\displaystyle D}$ приближённым соотношением[2]:

${\displaystyle \Delta \varphi \approx {\frac {\lambda }{D}},}$

где ${\displaystyle \Delta \varphi }$ выражается в радианах.

В нашем случае размер пучка ${\displaystyle D}$ определятся той частью поверхности капли, которая отражает свет, формирующий радугу, и поэтому меньше диаметра капли. Как видно из формулы, расходимость тем больше, чем больше длина волны света. Соответственно, дифракционные эффекты наиболее сильно сказываются на красном свете, а на фиолетовом — в наименьшей степени.

При больших размерах капель расходимость ${\displaystyle \Delta \varphi }$ мала, и пучок света каждого цвета распространяется по своему направлению, не смешиваясь с пучками других цветов. Уменьшение капель приводит к тому, что ситуация изменяется: расходящиеся пучки начинают смешиваться, и цвета радуги становятся менее выраженными (блеклыми). При дальнейшем уменьшении размеров капель перемешивание пучков становится полным, а свет, рассеянный каплями, — белым. Такое исчезновение цветов радуги происходит, когда размеры капель составляют 20-25 мкм. Кроме того, увеличение расходимости рассеянного света приводит и к возрастанию угловой ширины радуги: у туманной радуги она приблизительно в два раза больше, чем у обычной[1].

Таким образом, можно сказать, что если благодаря преломлению и дисперсии света в каплях воды происходит разделение белого света солнца на составляющие разного цвета, то из-за дифракции происходит противоположный процесс: соединение пучков света с различными цветами в один пучок белого цвета.

• Уокер Дж. Физический фейерверк (вопросы и ответы по физике). — 2-е. — 1989. — 297 с. — ISBN 5-03-001232-X.