Temná část duhy

Do redakce dorazil snímek dvojité duhy. Jejich autorku Ivanu Hrubou z Plzně Radčic vzhled optického úkazu přiměl položit nám otázku „Proč je pruh mezi duhami tak tmavý?“

Jak vzniká temná oblast mezi dvěma duhami?

Snímek Ivana Hrubá, Plzeň Radčice

Odpověď odborníka: Odpověď na tento zajímavý dotaz souvisí se vznikem duhy obecně a nemusí nutně jít o duhu dvojitou. Až příště tento úkaz uvidíte – třeba i v podobě jednoduchého oblouku –, všimněte si velmi nápadného kontrastu mezi jasem oblohy uvnitř duhy (tj. uvnitř barevného kruhu, který obepíná) a jasem vně. Obloha uvnitř duhy je výrazně světlejší.

Duha vzniká na kapkách vody a objevuje se vždy naproti zdroji světla, což je ve většině případů Slunce. Paprsek světla vstupuje do kapky vody, zalomí se na vstupu, odrazí se od její vnitřní stěny, zalomí se na výstupu a zamíří ven. Přitom místo, kterým paprsek do kapky vstoupil, ovlivňuje i směr jeho výstupu z kapky. Vůči směru přicházejícího světla může být přesně opačný (svírat s ním úhel 0°), nebo odkloněn o jistý úhel od 0° do maximálně zhruba 42°, tedy o hodnotu, o níž se prozíravější učitelé fyziky zmiňují už na základních školách. Pro pochopení toho, co se děje na snímku, je ale důležitější, že světlo nevystupuje z kapky vody odkloněné pouze o zmíněný úhel, ale v podobě plného kuželu s vrcholovým úhlem 42°.

Světlo po obvodu tohoto kuželu je červené, směrem k ose kuželu přechází přes všechny barvy duhy až k barvě modré, jejíž odklon od osy je zhruba 40°. Za ní, směrem dovnitř kuželu, již následuje pouze bílé světlo. Vně kuželu je tma; tam se žádné světlo neodráží. Kapka tedy funguje jako zpětný reflektor světla v podobě bílého kuželu, který má duhové okraje.

Až doposud jsme popisovali pouze jedinou kapku vody. Za deště je ovšem na obloze ve stejnou chvíli přítomno velké množství kapek, zabírajících z našeho pohledu velkou část oblohy. Každá z nich odráží směrem ke Slunci kužel světla, uvnitř bílý a po obvodu duhový. Pokud jev pozorujeme ze zemského povrchu, nejsme v osách těchto kuželů (ty míří zpět ke Slunci), ale mírně bokem.

Je-li úhel mezi směrem slunečních paprsků a spojnicí kapky vody s pozorovatelem menší než 40°, vidí pozorovatel na obloze všechny bílé vnitřky kuželů – každá kapka vody v této části oblohy odráží jeho směrem bílé světlo. Proto je obloha uvnitř duhy tak světlá.

Pokud je tento úhel větší než 42°, vidí pozorovatel sice na obloze všechny tam přítomné kapky vody, ale žádná z nich k němu světlo neodrážejí, protože pozorovatel stojí vně kuželu odraženého světla. A jak již víme, vně tohoto kuželu je tma. Kapky vody tedy nejen, že k pozorovateli neodráží žádné světlo, ale navíc mu zastiňují oblohu v pozadí. Proto je obloha vně duhy tmavší.

Pouze kapky, které vidíme pod úhlem mezi 40° a 42°, přispívají k tvorbě duhy samotné.

Doposud jsme popisovali pouze vznik a okolí vnitřní, tzv. primární duhy. Podobným mechanismem vzniká i vnější, sekundární duha. Počet odrazů v kapkách vody je větší a liší se také úhel a celkové uspořádání kuželu odraženého světla. Vnitřek tohoto kuželu je tmavý a jeho okolí je naopak světlé. Kombinací kuželů světla, dávajících vznik primární duze, a těch pro sekundární duhu, vzniká jev zobrazený na tazatelčině snímku.