Jak vzniká duha - Optické úkazy v atmosféře

Na vzniku duhy se podílí lom, rozklad, odraz a interference světla ve velkém množství vodních kapek, které obklopují pozorovatele při současném svitu Slunce resp. Měsíce.

A jak vzniká duhový oblouk a duhové barvy? Začněme od začátku.
Světlo vstupující do opticky hustšího prostředí (např. ze vzduchu do vody) se láme směrem ke kolmici tak, jak je znázorněno na obrázku vpravo, kde vstupní úhel alfa je větší než úhel lomu beta.

Lomy a odrazy paprsků na kapce vody: sluneční paprsek přichází na obrázku zleva, láme se, odráží a lomem vychází opět na straně Slunce Sluneční paprsky vstupující do kapky se odráží a lámou. Pro vysvětlení primárního duhového oblouku nás budou zajímat paprsky, které se po vstupu do kapky lámou, odrážejí na protější straně kapky a vycházejí lomem opět na straně směrem ke Slunci pod ostrým úhlem vůči vstupu paprsku. Takový paprsek je vyznačen na obrázku nalevo červeně, ostatní odrazy a lomy pak šedě.

animovaný obrázek: průchod paprsku kapkou v závislosti na jeho vzdálenosti od vodorovné osy procházející středem kapky - nejvíce paprsků vychází pod tzv. duhovým úhlem (asi 42°) Pokud necháme paprsky vstupovat do kapky v různých vzdálenostech od osy kapky směřující ke Slunci uvidíme, že vystupující paprsky se budou koncentrovat nejvíce kolem úhlu asi 42° (jež svírají se směrem ke Slunci) a ostatní paprsky budou vystupovat pod menšími úhly.

Na animovaném obrázku vidíme průchod paprsku kapkou. Paprsek vstupuje zleva pod úhlem, který svírá s přímkou vedenou středem kapky a místem vniku do kapky - tj. úhel vstupu.
Vystupující paprsek svírá se vstupujícím tzv. duhový úhel, který má maximum právě kolem hodnoty 42°.

Detailnější objasnění závislosti velikosti vystupujícího úhlu na vzdálenosti vstupujícího paprsku od vodorovné osy kapky následuje později.

Paprsky se dvěma vnitřími odrazy uvnitř kapky se podílejí na vzniku sekundární (vedlejší) duhy Uvnitř kapek však dochází také k více vnitřním odrazům paprsku. Paprsky odrážející se dvakrát uvnitř kapky budou vycházet nejčastěji pod úhlem asi 51° vůči vstupujícímu paprsku. Takto vzniká již ne tak výrazná tzv. sekundární duha, která se objevuje nad hlavní duhou.

(Sekundární duha je patrná též na fotografiích duhy v galerii)

Uvedený popis průběhu paprsků však neprobíhá jen v jedné rovině, ale v celé kapce zároveň a ve všech rovinách. Proto uvidíme duhu jako oblouk symetrický kolem osy, kam směřuje pozorovatelův stín vrhaný Sluncem.
Paprsek slunečního světla se při vstupu do kapky rozkládá na barevné složky Protože je však sluneční světlo složeno z různých barev a paprsek každé barvy se láme pod trochu jiným úhlem, bude světlo po průchodu kapkou rozloženo v duhové spektrum. To je vidět na obrázku vpravo. Záření různých barev se také bude po průchodu kapkou koncentrovat pod trochu odlišnými úhly, a proto uvidíme v duze soustředné barevné pásy.

Na vzniku duhy se podílejí kapky v různých vzdálenostech od pozorovatele. Názorný přehled si lze udělat podle spodního obrázku.

Pozorovatel vidí hlavní duhu o poloměru asi 42°

Odvození vzniku duhy

Jak duha vzniká