Duga nastaje kada Sunčeva svetlost prolazi kroz sitne kapljice vode koje se nalaze u vazduhu. Iako bela Sunčeva svetlost izgleda kao jedna celina, ona se sastoji od različitih talasnih dužina. Kada svetlost uđe u kapljicu, promeni smer, deo svetlosti se odbije unutar kapljice, a zatim pri izlasku ponovo promeni smer. Pri tome se različite boje razdvajaju pod različitim uglovima, pa do posmatrača stiže karakterističan luk boja.
Kako svetlost ulazi u kapljicu
Kada Sunčev zrak naiđe na kapljicu vode, pri prelasku iz vazduha u vodu menja brzinu i smer. Taj proces naziva se prelamanje svetlosti. Promena smera nije ista za sve talasne dužine, pa se svetlost različitih boja postepeno razdvaja.
Sunčeva svetlost zato u kapljici više nije samo naizgled bela celina. Njene različite komponente počinju da se prostorno razdvajaju, što je prvi važan korak u nastanku duge.
Šta se događa unutar kapljice
Posle ulaska u kapljicu, svetlost stiže do njene unutrašnje površine. Deo svetlosti se tada odbija i menja pravac kretanja unutar kapljice, umesto da odmah izađe iz vode.
Dok se svetlost kreće kroz kapljicu, razdvajanje boja koje je počelo pri ulasku ostaje prisutno. Kada zrak ponovo dođe do površine kapljice i izađe u vazduh, još jednom se prelama.
Kombinacija prelamanja pri ulasku, unutrašnjeg odbijanja i prelamanja pri izlasku usmerava različite boje prema različitim pravcima. Upravo zbog toga posmatrač može da vidi odvojene boje umesto bele svetlosti.
Zašto vidimo baš spektar boja
Različite talasne dužine svetlosti ne prelamaju se potpuno isto. Kraće talasne dužine, poput ljubičaste, menjaju smer više od dužih talasnih dužina, poput crvene, pa se boje razdvajaju pod različitim uglovima.
U glavnoj dugi spolja se najčešće vidi crvena boja, dok je ljubičasta sa unutrašnje strane. Između njih nalaze se ostale boje vidljivog spektra. Granice između boja nisu potpuno oštre, već prelaze jedna u drugu.
Zašto duga izgleda kao luk
Jedna kapljica ne šalje sve boje prema očima pod istim uslovima. Da bi određena boja iz određene kapljice stigla do posmatrača, Sunce, kapljica i posmatrač moraju biti približno u odgovarajućem geometrijskom položaju.
Veliki broj kapljica u različitim delovima oblaka ili kišne zavese istovremeno šalje svetlost prema posmatraču. Zbog njihove raspodele na nebu, svetle tačke koje odgovaraju određenim uglovima formiraju luk.
Sa zemlje najčešće vidimo samo deo tog luka jer horizont zaklanja njegov donji deo. Iz aviona ili sa dovoljno visoke tačke, pod odgovarajućim uslovima, može se videti znatno veći deo kružnog oblika.
Zašto se duga ne vidi svaki put kada pada kiša
Za dugu nije dovoljna samo kiša. Sunce mora da bude iza posmatrača, dok se kapljice vode nalaze ispred njega, u delu neba suprotnom od Sunca. Ako je Sunce previsoko ili nema odgovarajuće raspoređene kapljice, geometrija potrebna za dugu neće biti ispunjena.
Zato se duge često pojavljuju kada je Sunce relativno nisko, na primer nakon kiše ili tokom pljuska dok se nebo na suprotnoj strani već razvedrava. Promena položaja posmatrača ili Sunca menja i deo neba na kojem se duga može pojaviti.
Duga je zato optički efekat koji nastaje iz precizne kombinacije Sunčeve svetlosti, kapljica vode i položaja posmatrača. Boje nisu dodate vodi, već nastaju zato što kapljice razdvajaju različite komponente bele svetlosti i usmeravaju ih prema očima pod različitim uglovima.
