Атмосферна оптика — розділ фізики, що вивчає взаємодію світла з краплями води та крижаними кристалами, які зависають в атмосфері, утворюючи такі явища, як веселки, гало, корони й слава. Первинна веселка утворюється, коли сонячне світло входить у сферичну краплю дощу, одноразово відбивається всередині й виходить: червоне світло (n ≈ 1,331 при 700 нм) виходить при мінімальному відхиленні 42,3° від антисонячної точки, а фіолетове (n ≈ 1,344 при 410 нм) — при 40,6°, розтягуючи спектр на дугу шириною 1,7° з червоним кольором назовні. Вторинна веселка на ~51° виникає від двох внутрішніх відбиттів, що обертає порядок кольорів і зменшує яскравість приблизно втричі. Між 42° та 51° знаходиться темна смуга Александра — область, куди жодні промені веселки не потрапляють, тому небо там помітно темніше.
Крижані гало утворюються зовсім іншим механізмом: заломленням крізь плоскі призматичні грані гексагональних крижаних кристалів у високих перистих хмарах. Гало 22° виникає, коли промені проходять крізь дві грані призми під кутом апекса 60° — мінімальне відхилення для льоду (n ≈ 1,310) становить 21,8°, тому більшість світла накопичується саме тут, утворюючи яскраве кільце з темною серединою. Рідкісніше гало 46° використовує 90° призму, утворену гранню й базальною поверхнею. Ця симуляція дозволяє дослідити обидва явища разом: перемикайте між режимами Дощ, Лід та Все, щоб порівняти, як геометрична оптика із законом Снелла породжує яскраві кольори, які ми бачимо на небі.
Первинна веселка з'являється приблизно на 42° від антисонячної точки, оскільки саме під цим кутом відбувається мінімальне відхилення для промення, що входить у сферичну краплю води, одноразово відбивається всередині й виходить. Червоне світло (n ≈ 1,331) виходить при 42,3°, а фіолетове (n ≈ 1,344) — при 40,6°, розтягуючи спектр на 1,7°.
Вторинна веселка утворюється з променів, що двічі відбиваються всередині краплі. Кожне додаткове відбиття змінює порядок кольорів: фіолетовий опиняється зовні (~53°), а червоний — всередині (~51°). Два відбиття також поглинають більше світла, тому вторинна дуга приблизно втричі тьмяніша за первинну.
Між 42° та 51° знаходиться темна смуга Александра — зона, куди жодні промені веселки не потрапляють: промені первинної дуги виходять нижче 42°, а вторинної — вище 51°. Небо всередині первинної веселки виглядає яскравіше завдяки розсіяному світлу від крапель, тоді як смуга Александра позбавлена такого підсвічування.
Гало 22° виникає, коли сонячне світло заломлюється крізь дві призматичні грані випадково орієнтованих гексагональних крижаних кристалів. Кут апекса призми 60° дає мінімальне відхилення ~21,8° для льоду (n ≈ 1,31). Промені не можуть вийти під меншим кутом через повне внутрішнє відбиття, тому світло накопичується на цьому мінімумі, утворюючи яскраве кільце з темною серединою.
Гало 46° утворюється, коли світло входить крізь призматичну грань і виходить крізь базальну грань гексагонального крижаного кристала, утворюючи призму з кутом 90°. Мінімальне відхилення для такої призми становить ~45,7°. Цей ефект спостерігається рідко через специфічну геометрію кристалів і значно слабший за гало 22°.
Розсіювання Мі — точне електромагнітне розв'язання для розсіювання на сферичних частинках будь-якого розміру, зокрема й краплях дощу. Для великих крапель теорія Мі збігається з геометричною оптикою і дає ті самі кути 42°/51°. Вона також передбачає надчислові дуги — вузькі смуги інтерференції одразу всередині первинної веселки, — які геометрична оптика описати не може.
Веселки з'являються в частині неба, прямо протилежній сонцю — в антисонячній точці. Кути мінімального відхилення відраховуються від цієї точки. Якщо сонце піднімається вище 42°, первинна дуга опускається нижче горизонту; кругову веселку можна побачити лише з літака або з високої точки.
Великі краплі (радіус понад 1 мм) дають яскраву, вузьку, чітко розфарбовану веселку. Менші краплі (мряка, туман, радіус менше 0,1 мм) утворюють туманну дугу — широку, майже білу смугу, бо дифракція стає порівнянною з заломленням. Дуже дрібні краплі роблять дугу повністю білою.
Так. Лід має залежний від довжини хвилі показник заломлення: червоне світло (n ≈ 1,306) відхиляється менше, ніж фіолетове (n ≈ 1,318). На внутрішньому краю гало 22° першим з'являється червоний колір, що дає характерну оранжево-червону межу. Гало загалом виглядають більш білими через меншу дисперсію льоду порівняно з рідкою водою.
Яскравість веселки залежить від розміру крапель, їх густини, кута підйому сонця та показника заломлення води. Втрати на відбиття Френеля в кожній краплі знижують яскравість, а вторинна дуга ще втрачає приблизно втричі через друге внутрішнє відбиття та часткову поляризацію.