Duha

Duha je nejznámějším atmosférickým optickým jevem. Je to jev, se kterým se setkáváme už od dětství. Že známe jeho název, tvar a možná i způsob vzniku, to bereme jako samozřejmost. Nikdo z nás by ale zřejmě neočekával, kolik různých variací tohoto jevu existuje! Většina duh, které v životě uvidíme, vznikne za denního světla. Vznikají však i v noci díky měsíčnímu svitu. Většinou pozorujeme duhu primární, občas se setkáme i s poněkud slabší, sekundární duhou. Málokdo ví, že existují i duhy vyšších řádů a ještě méně je těch, kteří takový jev na vlastní oči viděli nebo vyfotografovali. Nemluvě o řadě dalších zajímavostí a zákonitostí, které duhy doprovází. Dokázali byste někomu vysvětlit proč jsou barvy duhy právě v daném pořadí? Proč má duha vždy stejný poloměr? Nebo proč je její vrchol vždy různě vysoko nad horizontem? Pokusím se zde na tyto otázky srozumitelně a přehledně odpovědět a pomocí fotografií a obrázků vám blíže vysvětlit způsob vzniku i zákonitosti duhy. Ukážeme si také několik různých typů duh.

Je velmi těžké představit si jak přesně vznikají barevné pásy duhy. Jak je vůbec možné, že je můžeme vidět? Velkou roli zde hraje lom světla různých vlnových délek (různých barev) pod různými úhly. Pokud si představíme množství paprsků světla, které dopadají na dešťovou kapičku rovnoběžně, ale na různá místa, zjistíme, že díky lomu světla mají paprsky světla červené části spektra při výstupu z dešťové kapičky tendenci koncentrovat se poblíž úhlu 137,5°. Úhel mezi sluncem, dešťovou kapičkou a pozorovatelem tak pro červený okraj duhy vždy odpovídá zhruba úhlu 42,5°. Nijak při tom nezáleží na vzdálenosti dešťových kapiček od nás, všechny se nám promítají na okraj jednoho pomyslného oblouku na obloze. Pro lepší představu o tom jak přesně se úhly mění vřele doporučuji vyzkoušet interaktivní obrázek na stránkách Lese Cowleyho.

Klasická (primární) duha vzniká ohybem a lomem světla ve velkých dešťových vodních kapičkách zhruba kulového tvaru. Paprsek světla vstupuje do vodní kapičky seshora, na rozhraní vzduchu a vody se z větší části odrazí, avšak část světla, která nás v tuto chvíli zajímá, se láme a vstupuje do dešťové kapky. Při vstupu se světlo láme a rozkládá se na jednotlivé vlnové délky. Každý foton s různou energií (různou vlnovou délkou/různou barvou spektra) se ohýbá pod mírně odlišným úhlem, odráží se od vnitřní stěny vodní kapičky a znovu se láme na rozhraní vody a vzduchu. Fotony pak míří směrem k zemskému povrchu, případně dopadají do oka pozorovatele. K tomu, aby pozorovatel vnímal celou duhu a ne jen její část, je zapotřebí, aby do jeho oka dopadly tisíce až miliony fotonů z tisíců až milionů vodních kapiček různě rozprostřených v našem okolí zároveň.

Nyní už začíná být jasné, proč má duha tvar oblouku. Právě ve směru, ve kterém se nám promítá oblouk duhy, se nacházejí vodní kapičky, které jsou ve vhodném úhlu vůči nám a slunci. Z každé z těch mnoha vhodně orientovaných dešťových kapiček k nám doputuje jeden dílek toho, čemu říkáme primární duha. Z toho vyplývá, že duhu (a vůbec jakýkoli optický jev) nelze chápat jako nějaký spojitý útvar, nýbrž jako důsledek mnoha podobných procesů v tisíci i milionu dešťových kapiček. Čím více se v atmosféře bude nacházet kapiček, tím výraznější duhu budeme pozorovat. Nezapomínejte také na to, že dešťové kapičky míří zemskému povrchu a vše je tedy v pohybu. Duha se velmi rychle mění a může rychle zaniknout. Měl bych zde ještě upozornit, že primární duha není pouze obloukem barev. Určitě jste si všimli, že obloha uvnitř primární duhy je vždy o něco světlejší než obloha mezi primární a sekundární duhou (Alexandrův pás). Je to dáno tím, že z vnitřní části primární duhy (a z vnější části sekundární duhy) k nám také putuje světlo různých vlnových délek, ale protože se vlnové délky (barvy) silně překrývají, vnímáme je pouze jako bílé světlo.

Že duha není spojitým jevem ukazuje i tento snímek. Tmavé mezery jsou způsobeny absencí světla - stíny nazývanými antikrepuskulární paprsky

Vznik sekundární duhy je velmi podobný vzniku duhy primární. Vlastně by bylo chybou domnívat se, že tyto dva jevy spolu nesouvisí. Primární i sekundární duha vznikají současně, ovšem sekundární duha má méně než dvakrát menší jas (43%) než primární duha (100%) a je tedy hůře pozorovatelná. Jak tedy sekundární duha vzniká? Zrekapitulujme si situaci. Světlo zodpovědné za vznik primární duhy se nejprve láme, poté se jedenkrát odráží a opět se láme. V případě duhy sekundární však k odrazu dochází dvakrát. Zatímco ta část světla podílející se na vzniku primární duhy se láme a opouští dešťovou kapičku, část světla zodpovědná za vznik sekundární duhy se znovu odráží a láme se až při dalším kontaktu s rozhraním voda/vzduch. Důležité je, že počet fotonů, které se takto odrazí, je vždy výrazně méně něž těch, které se podílí na vzniku primární duhy. To vysvětluje proč je sekundární duha vždy méně výrazná než duha primární.

Vznik primární a sekundární duhy (zjednodušeno).

Podle aktuální výšky slunce nad obzorem se poloha a výška druhy pomalu mění. Když je slunce nízko (platí především v zimě nebo při východu/západu slunce), je duha poměrně vysoko na obloze. Pokud se ocitneme dosti vysoko nad zemským povrchem, například v letadle nebo v mrakodrapu, budeme moci pozorovat duhu jako celý, uzavřený kruh. Naopak, pokud je slunce vysoko, může nás duha překvapit velmi nízko nad horizontem. Při výšce slunce více než 42° nad obzorem již primární duhu neuvidíme - bude kompletně pod obzorem. Pokud jste někdy dávali opravdový pozor, jistě vašemu zraku neunikly fialové a zelené interferenční barvy utvářející drobné pásy pod primární duhou. Jedná se o podružné oblouky (supernumeraries). Jejich počet a rozestup se může měnit v řádu minut. Zanikat mohou v řádu několika sekund. Vznikají interferencí světla na vodních kapičkách podobné velikosti. Vzácně lze podružné oblouky pozorovat i na vnějšku sekundární duhy.

Primární duha se dvěma řády podružných oblouků.

Vzhledem k simulaci Lese Cowleyho vznikly na asi milimetrových kapičkách.

Primární a sekundární duhu viděl asi každý z nás. Existují však i duhy vyšších řádů, které našemu zraku úspěšně unikají. Za velmi zvláštních podmínek můžeme na obloze v jednu chvíli pozorovat kromě primární duhy (vznikem jedním odrazem uvnitř vodní kapičky) a sekundární duhy s obráceným sledem barev (vzniklé dvěma odrazy) nejméně další 3 řády duhy. Ty vznikají vždy úměrným počtem odrazů světla uvnitř dešťové kapičky. To znamená, že duha terciární vzniká třemi odrazy. Každým dalším odrazem ztrácí světelný paprsek na intenzitě a duha vyššího řádu je tak vždy mnohem hůře pozorovatelná než duha nižšího řádu. Zatímco primární a sekundární duhu pozorujeme naproti slunci, terciární a kvartérní duhu najdeme na straně opačné, tedy spíše ve směru ke slunci. Nezapomeňte, že v tomto směru musí vypadávat dešťové srážky, jinak se duha vůbec neutvoří.

Duhy třetího a čtvrtého řádu se utváří kolem slunce zhruba v poloměru 42,5° - jsou tedy svou velikostí srovnatelné s primární duhou, avšak pás jejich barev je širší a také méně kontrastní. Kvartérní duha přímo navazuje na vnějšek terciární duhy, má však obrácený sled barev a má také jas odpovídající pouze 15% jasu primární duhy (terciární má jas asi 24% jasu primární duhy). Jejich pozorování je mnohem náročnější, než by se mohlo zdát. Slabé jevy tak blízko slunce se také hůře fotografují. Asi málokdo by se taky při pozorování jasné primární a sekundární duhy obracel na opačnou stranu a hledal zde méně jasnou duhu. Pokud se však s takovou situací setkáte, určitě to někdy zkuste! Při fotografování je nezbytné něčím zakrýt slunce (například nějakým blízkým objektem). První fotografie terciárních a kvartérních duh se objevily už v roce 2011, avšak podobných fotek jistě není mnoho. Vyfotografovány byly už i duhy pátého řádu, které se utváří mezi primární a sekundární duhou (v Alexandrově pásu) a mají sled barev shodný s primární duhou, avšak pásy barev duhy pátého řádu jsou mnohem širší. Pozorovat můžeme pouze její široké zelené a modré barevné pásy. Žluté a červené pásy se překrývají se sekundární duhou.

Velikost dešťových kapiček hraje významnou roli a závisí na ní celková podoba duhy. Zajímavou okolností je, že dešťové kapičky dosahují maximální velikosti asi 5 mm. Je-li tato velikost překročena, kapička se rozpadne na několik menších kapiček. V případě duhy utvářející se na větších kapičkách (1 až 0,25 mm) se postupně snižuje role červené barvy. U středně velkých dešťových kapek (kolem 0,1 mm) je barevný pás duhy širší a téměř bez červené barvy. U ještě menších kapiček (0,05 mm) je duha spíše bezbarvá a nejvýraznější barvou je fialová a v případě kapiček o velikosti 0,025 mm se utváří široká, bílá duha - fog bow. Tato forma duhy se utváří za vhodných světelných podmínek na oblačné mlze. Má podobu bezbarvého, širokého pásu světla. Může mít ale podružné oblouky s dobře patrnými interferenčními barvami. Ve středu takovéto duhy je možné pozorovat i další ohybový jev zvaný gloriola. Gloriola se utváří vždy přímo naproti slunci a častěji je tedy pozorována spíše z hor nebo z letadel. Může se však utvořit i na kapičkách ranní rosy a představuje tak poměrně dobře dostupný ohybový jev. 

Duha utvářená kapičkami mlhy - fog bow.

Duhy skutečně nejsou primitivní záležitostí. Mohou být ukloněné i pod zvláštními úhly a fotografie může na první pohled vypadat jako fotomontáž (ačkoliv i těch je na internetu mnoho). Duhy nakloněné pod zvláštními úhly mohou vznikat díky odrazu světla od vodní hladiny (reflection bow). Ze všeho co zde bylo napsáno tedy plyne, že duha je velmi složitý jev, který zahrnuje různé variace. Podoba duhy závisí především na velikosti vodních kapiček, na jejich množství a na výšce slunce či Měsíce nad obzorem. Další zvláštní duhy vznikají například při vycházejícím nebo zapadajícím slunci, kdy je světlo vstupující do atmosféry (a následně do našeho oka) ochuzeno o modrou složku světla, která se snáze rozptyluje na molekulách vzduchu. Duha má pak jasně červený nádech, protože většina světla, které se na jejím vzniku podílelo, byla při svém průchodu atmosférou ochuzena o modrou složku spektra.

Vysoká, červená duha (red bow) zachycená při západu slunce.

Nejvzácnějším a možná nejzajímavějším jevem spojeným se vznikem duhy je "dvojčatění" primární duhy. Když mi Jan Curtis v červnu 2018 poslal jeho fotografie "twinned rainbow", byl jsem ohromen tím jak málo byl tento jev do té doby zdokumentován. Duha na fotografiích působila dojmem, že nejvyšší část primární duhy je rozdělena na část horní a dolní. Toto dvojčatění patrně vzniká vlivem deformace vodních kapiček, které nejsou dokonale kulaté a ohýbají a odrážejí světlo pod jiným úhlem. Simulace tomu dobře odpovídají. Nikdo si tím ale dosud není jistý a každý by měl raději po ruce víc takových snímků. Les Cowley, jeden z největších odborníků na atmosférické optické jevy, na svých stránkách atoptics.co.uk ke twinned rainbows napsal, že jsou především potřeba další, kvalitní fotografie. A ty může přinést kdokoli z nás, kdo bude mít ve správnou chvíli a na správném místě po ruce fotoaparát. Žádané jsou jak detailní záběry z teleobjektivů, tak i široké záběry, na kterých je zachycena i sekundární duha.

"We need more observations of twinned bows to better know their nature; close-up images at known focal lengths of the 'twins', wider angle images around the bow and if possible the secondary in order to measure the primary-secondary spacing."

Les Cowley, www.atoptics.co.uk