Jak vypadá duha?

Otázka položená v názvu článku vám možná připadá hloupá - vždyť duhu zná přece každý a každý ví jak vypadá. Jde o nápadně zbarvený oblouk nacházející se na opačné straně oblohy než Slunce a vznikající lomem světla na vodních kapkách. Avšak já se chci podívat na to, jak vypadá duha, trochu podrobněji.

Vzhled duhy totiž velmi silně ovlivňuje velikost kapek, na kterých se vytváří. Kromě toho se zde neméně uplatňuje i rozložení velikostí kapek, ale tady tímto aspektem se v tomto článku zabývat nebudu a nechám si jej do některého z dalších čísel Parhelia.

Obecně lze říci, že čím větší jsou vodní kapky, tím je duha výraznější, ale zároveň se stává užší. Ovšem jakmile přesáhne velikost kapek přibližně 1 mm, vzhled duhy se již nijak výrazně nemění. S tím, jak klesá velikost kapek, tak se duha stává čím dál širší, zároveň však klesá sytost barev až v extrémním případě se duha stává bělavou. I takováto bělavá duha se v přírodě objevuje a je to tzv. mlžná duha tedy duha vznikající na mlze. Mlha totiž sestává z velmi drobných vodních kapiček. Vysvětlit slábnutí barev duhy při klesající velikosti kapek je docela snadné - dochází zde totiž k difrakci, která způsobuje "překládání" barev navzájem a tím pádem jejich slábnutí.

Na velikosti kapek závisí také další aspekt duhy a tím jsou interferenční proužky. Zatímco u sytosti barev duhy platí, že čím větší kapky, tím lépe, tak u interferenčních proužků se tohle nedá říct doslova. Při velké velikosti kapek jsou totiž interferenčí proužky velmi úzké a natěsnané na sebe, případně na vnitřní stranu primární duhy a nejsou viditelné. Jak ale klesá velikost kapek, stávají se interferenční proužky výraznějšími. Při velmi malé velikosti kapek se však stávají, stejně jako primární duha, bělavými a zanikají. Jejich šířka však v takovém případě může přesáhnout i 1°.

Pro účely tohoto článku jsem udělal sérii simulací pro kapky v rozmezí velikostí 50 mikrometrů až 2 mm. Simulace pro větší velikosti kapek jsem již nedělal, protože vzhled duhy při větších velikostech kapek se již prakticky nemění, nehledě na to, že kapky větší než asi 4 mm se při pádu ovzduším vlivem sil vyplývajících z odporu trhají na menší (v některých publikacích je uváděna kritická velikost až 6 mm). Každá simulace je udělána jen pro jednu určitou velikost kapek - jak už jsem poznamenal, různá velikost kapek má velký vliv na vzhled duhy, ovšem o tom až někdy příště. Simulace jsou uvedené na obrázcích.

Na simulacích je také vidět velmi nápadný rozdíl v intenzitě oblohy uvnitř a vně duhy. Paprsky, které vyvtářejí primární duhu se totiž odchylují do směrů "uvnitř" primární duhy a vně nedopadá žádný. Stejný princip se uplatňuje i u sekundární duhy, jenže zde se paprsky odchylují do směrů vně duhy. Prostor mezi primární a sekundární duhou tak zůstává tmavší a nazývá se Alexandrův tmavý pás (podle Alexandra z Aphrodisiasu, který tento jev popsal již kolem roku 200 našeho letopočtu).

Roman Maňák, článek vyšel ve zpravodaji Parhelium č. 1/2007