Duga: Gdje sunce ljubi kišu

Duga je atmosferska optička pojava u obliku raznobojnih koncentričnih lukova. Nastaje lomom, odbijanjem i rasipanjem zraka svjetlosti u kapljicama vode. Najčešće se vidi kada ispred promatrača pada kiša, a iza njega sja Sunce.

Naziv na engleskom: rainbow

Duga je uvjerljivo najpoznatija optička pojava u atmosferi. Svojom nedohvatljivom, kratkotrajnom pojavom golicala je maštu ljudi od pamtivijeka. Šareni luk ispod kojega je nemoguće proći! Koliko god joj se približavali, uvijek je jednako daleko. Ponekad se vidi i druga, šira i manje sjajna, s obrnutim rasporedom boja. Bilo je jasno da ju povezuju dvije kontrastne pojave: kiša, često u obliku pljuska ili nevremena, i Sunčeva svjetlost. Ta dvojnost dala joj je dodatni šarm i auru mističnosti. Nimalo, stoga, ne čudi da su upravo duga i dugine boje među najčešćim motivima u simbolizmu čovječanstva.

Kako nastaje duga

Priča o dugi počinje i završava u kapljicama vode, bila to kiša ili obližnji vodoskok. Znamo da se svjetlost pri prelasku iz jednog medija u drugi lomi – sjetite se kako izgleda slamčica u čaši vode. Isto se događa kad zraka svjetlosti uđe u kapljicu kiše. Zbog razlike u brzini širenja valova u zraku i vodi, svjetlost lagano promijeni smjer.

Zatim se događa ključna stvar: nakon što se prelome pri ulasku, neke se zrake odbiju od suprotne stijenke kapljice i još jednom prelome pri izlasku. Te zrake, koje se dakle prelome, odbiju i ponovno prelome pod točno određenim kutem te potom završe u oku promatrača, čine dugu. Zrake koje se odbiju dva puta čine sporednu dugu. Duge su rezultat milijuna pojedinačnih refrakcija i refleksija.

Proces nastanka duge puno je detaljnije opisan u tekstu Vernese Smolčić Kako nastaje duga u Astroučionici.

Kut pod kojim se zrake svjetlosti vraćaju iznosi 42 stupnja. Upravo zato, kutni polumjer duge je 42 stupnja. Točnije bi bilo reći da je kut minimalnog otklona onaj vanjski, 137,5°, pa je onda polumjer vanjskog ruba duge, gdje je duboka crvena, 180 – 137,5 = 42,5°. Geometrijsko objašnjenje nastanka duge sažeto je u stošcu duge.

Dvostruka duga

Najsjajnija duga zove se glavna (primarna) duga, no postoje i druge. Najčešća od njih je sporedna duga, manje sjajna i većeg promjera od glavne. Glavna i sporedna čine ono što ljudi zovu dvostruka duga. Tehnički, svaka je duga dvostruka. Sporedna je, međutim, često previše blijeda da bi se vidjela.

Sporednu dugu čine zrake svjetlosti koje se unutar kapljice vode odbiju dvaput umjesto jednom. Njezin raspored boja obrnut je od glavne: crveni rub glavne gleda prema crvenom rubu sporedne duge. Polumjera je oko 51° i njezin je raznobojni luk malo širi. Upola je manje sjajna od glavne, ali djeluje još malo tamnijom od toga jer je taj sjaj raspršen na šire područje. Glavna i sporedna duga su koncentrične – zajedničko središte im je u antisolarnoj točki.

Dugine boje

Prilikom prolaska kroz stijenku kapljice vode, svjetlost se lomi. Zbog valno-čestične prirode svjetlosti, različite valne duljine lome se pod malo različitim kutevima. Najdulja, crvena, lomi se najmanje, a najkraća, plava, najviše. Zato je duga mješavina boja, a ne bijela svjetlost koja je ušla u kapljicu. Iz nekih kapljica stiže nam crvena, iz nekih narančasta, iz nekih žuta boja i tako dalje, ovisno o kutu pod kojim se nalaze u odnosu na naše oko.

Dugine boje Newton je podijelio na crvenu, narančastu, žutu, zelenu, plavu, indigo i ljubičastu. Generacije učenika pamtile su taj redoslijed mnemonicima ROY G. BIV i Richard Of York Gave Battle In Vain. Prave jasne podjele zapravo nema jer se boje suptilno prelijevaju jedna u drugu. Neki suvremeniji izvori navode crvenu, narančastu, žutu, zelenu, plavozelenu, plavu i ljubičastu. Hrvatska Wikipedija, bez navođenja izvora, zadnje tri mijenja u “plavu, modru i ljubičastu” – zašto ne bismo svima zakomplicirali…

Kad je Sunce vrlo nisko, njegova je svjetlost crvenija. Tada se može vidjeti crvena duga.

Zašto ne možemo proći ispod duge

Duga ne postoji u prostoru niti je fizički objekt. Ona je rezultat prolaska Sunčeve svjetlosti kroz kapljice vode pod točno određenim kutem. Postoji samo u oku promatrača. Drugi promatrač negdje u blizini vidi svoju dugu koja može, ali ne mora, izgledati jednako.

Zato ne možemo nikad doći do duge. Koliko god da joj se “približavamo”, uvijek će ostati jednako daleka i nedodirljiva. Ona je samo skup zraka svjetlosti.

Duga kao puni krug

Duga je zapravo puni krug u čijem se središtu nalazi antisolarna točka – točka na nebu točno nasuprot Suncu. Budući da je Sunce iznad obzora, središte duge nalazi se ispod njega i izvan vidokruga promatrača koji stoji na tlu. Zato vidimo samo luk, a ne cijeli krug. No, u nekim slučajevima možemo vidjeti puni krug: stojeći na rubu neke litice ili, češće, ako se otisnemo s površine Zemlje u nekoj letjelici poput helikoptera. Pogledajte i primjer iz Slovenije. Puni krug duge možemo vidjeti kada vidimo kapljice koje su zapravo ispod horizonta, dakle kada smo na dovoljnoj visini iznad tla.

Budući da je polumjer duge 42 stupnja, to je ujedno i maksimalna visina Sunca nad obzorom kada je dugu moguće vidjeti. Kada je Sunce više od toga, na primjer ljeti oko podneva, duga je u potpunosti skrivena ispod obzora. S druge strane, kada je Sunce na zalasku, duga se pokazuje kao predivna polukružnica. Duga je veća što je Sunce niže.

Zašto se duga češće vidi ljeti nego zimi

Nije pravilo, ali duge zbilja češće viđamo u toplijem dijelu godine. Uglavnom ih i povezujemo uz tople ljetne pljuskove ili grmljavinska nevremena. Razlog je jednostavan: za dugu nam treba ne samo kiša nego i Sunčeva svjetlost. U hladnijem dijelu godine češća je višesatna kiša, pri čemu je nebo potpuno sivo. No, kad je toplije, veće su šanse za konvektivni tip oborine: pljuskove.

Pljuskovi su obično intenzivniji i kraći od “obične” kiše. Osim toga, oblaci iz kojih padaju jače su vertikalno razvijeni i često zbijeni u jasno definirane jezgre. Između tih pljuskovitih oblaka nebo može biti i potpuno vedro. Stoga Sunčeve zrake lakše mogu doprijeti do kiše i stvoriti dugu.

Što duga nije

Postoji niz optičkih pojava koje se u medijima često nazivaju dugama iako s njima nemaju veze. To su najčešće:

Halo – velik svijetao prsten oko Sunca ili Mjeseca, blijedih boja, crvenkast na unutarnjem rubu, ponekad bezbojan. Dvostruko je manjeg promjera od duge i vidi se na suprotnoj strani neba.

Cirkumzenitni luk – u medijima se često naziva “obrnutom dugom” iako s dugom nema veze.

Cirkumhorizontski luk – to je po medijima pak “vatrena duga”, a također nema veze s dugom.

Vijenac ili korona – niz raznobojnih prstenova oko Sunca ili Mjeseca nastalih ogibom svjetlosti. Vijenac je puno manji od duge i haloa te nastaje na drugačiji način.

Poveznice s više informacija

Kako nastaje duga, Astroučionica Vernese Smolčić – više detalja o procesu nastanka duge i nekim njezinim svojstvima.

Nastanak i analiza svojstava duge na modelu kapljice vode, diplomski rad Filipa Brčića – Prirodoslovno-matematički fakultet u Zagrebu, 2021.

Atmospheric Optics – Rainbows, na engleskom.