Půvab nebeské duhy: Jak se staví nejkrásnější přírodní most
Pokud v křížovce najdete otázku, který z jevů na obloze je nejhezčí, asi nebudete mít problém doplnit čtyři prázdná políčka. Barevné oblouky duhy jsou sice vcelku běžným atmosférickým úkazem, ale lidskou populaci fascinují od nepaměti
Když si výraz „duha“ nalistujete v meteorologickém slovníku, najdete jako vysvětlení jedinou strohou větu. Duha je „fotometeor, který se projevuje jako skupina soustředných barevných oblouků, jež vznikají v atmosféře lomem a vnitřním odrazem slunečního světla na vodních kapkách.“ Určitě to není vyčerpávající popis, tím spíš, že duhu můžete vidět například taky v kapkách rosy nebo ve stříkajících fontánách.
Když se lomí podvečer
Z definice je tedy jasné, že vznik duhy je v prvé řadě podmíněn slunečními paprsky, které osvětlují části dešťových kapek. Přitom se sluneční paprsky při průchodu kapkou lámou, rozkládají se, odrážejí a interferují (vzájemně se ovlivňují a prolínají).
Další podmínkou toho, abychom duhu na obloze ze země spatřili, je poloha Slunce, z nějž sluneční paprsky vycházejí. Sluneční kotouč totiž musí být níž než 42 ° nad obzorem. Což je také důvod, proč je duha v podmínkách České republiky nejčastěji pozorována pozdě odpoledne a večer, kdy už Slunce svítí nízko a duhový oblouk naopak vystupuje vysoko na oblohu.
Duha má Česko „ráda“
Z pohledu meteorologické takzvané synoptické situace (neboli rozložení tlakových výší a níží nad Evropou) jsou nejpříhodnější podmínky vzniku duhy při západním proudění vzduchu, po přechodu frontálního systému, kdy dochází k nápadnému rozhraní mezi oblačností s doznívajícími srážkami a pásem jasné oblohy, který přináší výběžek vyššího tlaku vzduchu.
Podle statistik se počasí v Česku mění průměrně každé čtyři dny a převažuje západní proudění. To znamená, že v letním půlroce u nás na duhu na obloze narazíte poměrně často. Hojný výskyt zřejmě přispěl i k tomu, že vznik duhy se mezi prvními podařilo objasnit i českému fyzikovi Janu Markovi Marcimu, a to v první polovině 17. století, tedy ještě před Newtonem. To, že se duha nevyhnula pozorování daleko dříve, dokazují pokusy o vysvětlení jejího vzniku už v nejstarší meteorologické knize Meteórologika z pera Aristotela (4. století př. n. l.). Prvenství vědeckého objasnění vzniku duhy, které se používá dodnes, patří René Descartovi, který své klíčové výzkumy prováděl v letech 1635–1637.
Proč zrovna oblouk?
Při výkladu charakteristiky duhy lidé hodně věnují pozornost pořadí barev v ní (viz Zákonitost duhových barev). Přitom se často zapomíná na vysvětlení vzniku duhového oblouku. Proč vlastně duha není například kolmá k zemi, nebo proč netvoří nekonečnou přímku rovnoběžnou s horizontem? To mají na svědomí 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.
Přitom nejvíce vystupujících paprsků se koncentruje kolem úhlu 42 °, který nazýváme duhovým. Paprsky procházejí dešťovou kapkou ve všech rovinách, proto vidíme duhu jako symetrický oblouk kolem osy. A to ze stejné strany, na kterou míří náš stín vrhaný Sluncem. Z letadla by pak bylo možné pozorovat celou duhu a viděli byste, že má tvar kruhu.
Není duha jako duha
Při intenzivnějších srážkách se může nad (primární) duhou vytvořit ještě jedna, nazývaná sekundární. Vzniká dvojnásobným odrazem paprsků uvnitř kapek, má větší poloměr, většinou kolem 51 °, a barvy v ní jsou uspořádány v opačném pořadí. Pás mezi primární a sekundární duhou bývá nazýván Alexandrovým obloukem.
Meteorologie dále definuje bílou mlhu, která vzniká lomem a vnitřním odrazem světla na nepatrných vodních kapičkách mlhy nebo kouřma. Homogenita spektra kapiček způsobuje, že se nám zjevuje pouze bělavý oblouk, který někdy bývá ohraničen červeným pruhem na vnější a namodralým pruhem na vnitřní straně.
Dalším velmi vzácným případem je duha kolem Slunce, takzvaná terciální, která se nachází na druhé straně oblohy než duha primární a sekundární a vzniká lomem a trojnásobným vnitřním odrazem slunečních paprsků na dešťových kapkách. V měsíčním světle můžete výjimečně spatřit i na barvy chudou tzv. měsíční duhu.
Své kouzlo ovšem nepochybně má i „obyčejná“ duha denní. Jedna lidová pranostika dokonce tvrdí, že pokud spatříte duhu na obloze a něco si přitom budete přát, bude vaše přání splněno. Tak na to pod duhovým obloukem myslete a nechejte se překvapit.
Zákonitost duhových barev
Červená, oranžová, žlutá, zelená, modrá a fialová – v tomto pořadí směrem od vnějšího okraje jsou v primární duze seřazeny barvy. Jak je možné si vznik barev duhy odvodit?
Když se vrátíme k základům fyziky, do kapitoly pojednávající o optice, možná si vzpomenete na Snellův zákon lomu. Podle něj platí, že paprsek vstupující do opticky hustšího prostředí se láme směrem ke kolmici. Přitom podíl sinu úhlu dopadu a sinu úhlu lomu se rovná relativnímu indexu lomu. Pojďme si pravidlo převést do podmínek vzniku duhy – paprsek vstupující do opticky hustšího prostředí ze vzduchu do dešťové kapky se láme ke kolmici.
TIP: Čtyřnásobná duha nad New Yorkem: Vzácný úkaz je kouzlem geometrie
Relativní index lomu je v tomto případě přibližně 1,33. Ještě si připomeňme, že viditelné světlo se skládá ze záření o různých vlnových délkách, které následně vnímáme jako různé barvy – delší vlnové délky od barvy červené, po kratší vlnové délky a barvu fialovou. Dále platí, že záření kratších vlnových délek se při vstupu do hustšího prostředí láme víc, a proto má každá barva, nejen v duze, rozdílný index lomu.
Barva, intenzita a šířka jednotlivých barevných oblouků v duze závisí na velikosti dešťových kapek. Tak například, pokud se poloměr dešťových kapek pohybuje v intervalu 0,5–1 mm, na duze je patrný široký fialový pruh s jasně zelenou a červenou barvou. Jestliže jsou dešťové kapky veliké 0,1–0,15 mm, je duha téměř bez červené barvy.
