Duga

Za druga značenja, pogledajte Duga (čvor).

"Duge" preusmjerava ovdje. Za druga značenja, pogledajte Duge (čvor).

Duga je relativno česta optička i meteorološka pojava višebojnog luka na nebu koji nastaje kada Sunčeva svjetlost obasjava sitne kapljice vode u atmosferi. Pojava se obično vidi na zastoru kišnih kapi kada promatrač stoji okrenut leđima Suncu i gleda u smjeru tog zastora.

Dvostruka duga.

Nastanak dvostruke duge na kapljicama vode.

Bijela ili maglena duga. Unutra se vidi i glorija.

Crtež kojim je R. Descartes objasnio nastanak dvostruke duge.

Spektarske boje duge raspoređene su od crvene na vanjskom do plave na unutrašnjem rubu. Kod sekundarne duge, kada se zraka svjetlosti dvaput odbija na unutrašnjoj površini kapljice, poredak boja je obrnut, a jačina ispoljavanja duge je slabija. Središte luka leži na liniji koja spaja oko posmatrača s izvorom svjetlosti, i to tako da je otklon crvenih zraka, zbog loma i odbijanja, 42°, a za plavu zraku 40°. Luk duge se i uočava samo pod tim uglovima. Unutrašnji luk sekundarne duge vidi se pod uglom od 52°. Duga se može pojaviti i na maglenim kapljicama, raspršenim kapljicama vodopada i na kapljicama rose (bijela duga).

Djelimično tumačenje glavne duge potiče još iz 16. stoljeća, a opisao ga je Markantun de Dominis. Nakon toga, potpuno tumačenje ove pojave dali su Descartes i Newton. Potpuniju teoriju o dugi razvili su engleski astronom George Biddell Airy (1837) i austrijski meteorolog Josef Maria Pertner (1897). Boje u dugi čine kontinuirani spektar sa crvenom (na vanjskoj) i ljubičastoj (na unutrašnjoj) strani luka, ali se tradicijski obično navode kao crvena, narandžasta, žuta, zelena, plava i ljubičasta ("sedam duginih boja").

Objašnjenje

Duga je veliki kružni luk svjetlosti na nebu, sastavljen iz užih, obojenih i međusobno paralelnih lukova, koji nastaju kada se Sunce pojavi prilikom razlaza oblaka. Duga nastane disperzijom Sunčeve svjetlosti, zbog njenog loma na kapljicama kiše. Sunčeva zraka prvo se lomi pri ulazu u kapljicu kiše i odbija na zadnjoj plohi kapljice, pa se zatim ponovo lomi pri izlazu iz nje. Zbog toga se Sunčeva svjetlost rastavlja na spektarske boje. Posmatrač vidi dugu onda kada su kapljice kiše ispred njega, a Sunce iza njega.

Osim glavne duge u kojoj se boje prelijevaju iz crvenog na vanjskoj strani u ljubičasto na unutrašnjoj, pojavljuje se i sporedna duga koja je slabijeg sjaja. Boje sporedne duge dolaze obrnutim redom tako da su crveni rubovi obiju duga jedan prema drugom susjedni. Sporedna duga nastaje zato što se Sunčeve zrake u kapljicama kiše reflektiraju dva puta.

Intenzitet boja i širina obojenog pojasa zavisi od veličine kišnih kapi. Sa unutrašnje strane glavne i vanjske strane sporedne duge ponekad se mogu opaziti prekobrojni pojasevi koji potiču od dodatne (sekundarne) obojene duge (znatno slabije jačine), najčešće zelenkaste i ružičaste boje. Broj takvih duga može doseći i šest. Ponekad, kad su kapljice vrlo malene i u magli, može se uoćiti i bijela duga (maglena duga). Duga se može vidjeti i po mjesečini, kada je najčešće bijele boje.

R. Descartes je 1637. prvi protumačio nastanak duge refleksijom i lomom Sunčevih zraka u vodenim kapljicama. Tu teoriju dopunio je I. Newton, a u 19. stoljeću i G. B. Airy. Nastanak duge najčešće se tumači minimalnim otklonom zraka svjetlosti, koju doživi posmatrana zraka svjetlosti prolazom kroz kišnu kapljicu.

Monohromatska zraka svjetlosti koja pada na kapljicu mijenja svoj smjer zbog loma i nakon odbijanja izlazi iz kapljice, pa je ukupna promjena smjera zrake svjetlosti za ugao D, a on za jednostruku refleksiju (glavna duga) iznosi:

$D=2\cdot (u-1)+(\pi -2\cdot l)$

a pri dvostrukoj refleksiji (sporedna duga):

$D=2\cdot (u-1)+2\cdot (\pi -2\cdot l)$

Za krajnje dužine talas svjetlosne zrake mogu se odrediti poluprečnici luka duge oko Suncu suprotne tačke (antisolarna tačka), koji su prikazani u priloženoj tabeli (poluprečnici lukova duge opisanih oko antisolarne tačke):

Luk duge	Crveni (λ = 656 nm)	Ljubičasti (λ = 405 nm)
Glavne	48° 18’	40° 36’
Sporedne	50° 40’	53° 36’
Prve dodatne	138° 00’	142° 08’

Kad paralelni snop Sunčevih zraka obasja kišnu kapljicu, pojedine zrake u snopu imaju upadne uglove na istoj kapljici. Za zrake koje imaju minimalni otklon, intenzitet svjetlosti je najveći, pa te zrake čine glavnu dugu. Minimalni otklon kod jedne refleksije u kapljici je približno 139°, pa zato ugaoni poluprečnik luka duge iznosi oko 180° — 139° = 41°. Ljubičaste zrake se otklanjaju više nego crvene, pa su zato unutrašnjoj strani duge.

Kod sporedne duge, zbog dvostruke refleksije, intenzitet boja je slabiji, a minimalni otklon iznosi 232°, a poluprečnik 52°. Crvena boja se odbija manje nego ljubičasta, pa je na unutrašnjoj strani. Kod dodatnih duga svjetlost duge je sasvim slaba, pa se najčešće i ne zapaža.

Prikazana teorija duge ne uvažava talasnu prirodu svjetlosti pa je nesavršena. Zbog talasne prirode, svjetlo se u kapljici širi nejednakim putevima, pa prvobitno ravni front talasa (prije ulaska snopa zraka u kapljicu) nakon izlaska iz nje postaje zakrivljen. Elementarni svjetlosni talasi koji proizlaze iz ovog fronta međusobno interferiraju, čime na nekim mjestima nastaje najveći intenzitet, u nešto većoj udaljenosti od Sunca nego što predviđa Descartesova teorija. Interferencijski maksimumi pojedinih boja međusobno se preklapaju i daju miješane boje stvarnog luka duge, a i niz svjetlosnih prstenova unutar glavnog luka duge. Složenosti ove prirodne pojave doprinosi i to što u kišnom pojasu postoje kapljice različitih veličina, pa se preklapaju interferentni prstenovi različitih klasa kapljica. Posljedica toga je da luk duge nije uvijek sastavljen iz čistih, nego i iz miješanih boja.

Optika atmosfere

Glavni članak: Optika atmosfere

Optika atmosfere je grana meteorologije o pojavama u nastajanju lomom svjetlosti, odbijanjem (refleksijom), raspršivanjem i difrakcijom svjetlosti u Zemljinoj atmosferi (boja neba, duga, vijenac ili korona oko Sunca i Mjeseca, halo, lažno Sunce, Sunčev stub, irizacija oblaka, glorija, zračno cakljenje, fatamorgana, miraž, te pojave sumraka, alpskog žara, treperenja zvijezda, zelenog bljeska, astronomska i kopnena refrakcija, depresija vidika i dr.). Optika atmosfere proučava i pojave koje su posljedica perspektive: prividni oblik nebeskog svoda, površine diska Sunca i Mjeseca pri izlasku i zalasku i sl.