彩虹和特殊彩虹的形成

彩虹和特殊彩虹的形成

彩虹是一种自然现象，是由于阳光射到空气的水滴里，发生光的反射和折射造成的。当阳光照射到半空中的雨点，光线被折射及反射，在天空上形成拱形的七彩的光谱。彩虹七彩颜色，从外至内分别为：红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。

彩虹的形成原因

我们知道，当太阳光通过三棱镜的时候，前景的方向会发生偏折，而且把原来的白色光线分解成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫7种颜色的光带。

彩虹是因为阳光射到空中接近圆形的小水滴，造成光的色散及反射而成。单个雨滴有着与棱镜不同的形状和密度，但雨滴对光线的影响与棱镜相似。阳光射入水滴时会同时以不同角度入射，在水滴内也是以不同的角度反射。当中以40至42度的反射最为强烈，形成我们所见到的彩虹。形成这种反射时，阳光进入水滴，先折射一次，然后在水滴的背面反射，最后离开水滴时再折射一次。因为水对光有色散的作用，不同波长的光的折射率有所不同，蓝光的折射角度比红光大。由于光在水滴内被反射，所以观察者看见的光谱是倒过来，红光在最上方，其他颜色在下。

为了简单起见，我们仅观察红色和紫色的光，也就是可见光光谱两端的颜色。

下面这副图描绘了一束太阳光投射到一滴雨滴时发生的现象。

当一束白光从空气中射入水滴时，其各种组成色的光会按频率的不同而减速。紫光进入水滴时会有相对较大的偏转。在水滴的右边，一些光从中穿出回到空气中，剩下的光则被反射。一些反射光又从该水滴左侧穿出，经过折射再次回到空气中。

这样，每个雨滴就将白色的阳光分解成其组成色。那么为什么我们会看到宽的色带呢，好像天空中不同的降雨区色散出不同的单色光？这是因为我们仅仅从每个雨滴中看到了一种颜色。可以通过下图了解其工作原理。

当雨滴A对光进行色散时，只有红光能从一个适当的角度射出，进入观察者的眼中。而其他颜色的光束则以较小的角度射出，因此观察者看不到它们。太阳光将以相同的方式投射到周围所有的雨滴上，因此这些雨滴都会将红光反射到观察者眼中。

在空中，雨滴B的位置低一些，因此它不会将红光反射到观察者的眼中。在该雨滴的高度，紫光会从一个适当的角度射出，进入观察者的眼中。雨滴B周围的所有雨滴都将以相同的方式反射光。A和B之间的雨滴将不同颜色的光反射给观察者，因此观察者能够看到完整的彩色光谱。如果观察者处于雨层的上面，将能够看到一个完整圆形的彩虹，因为光会从四周反射回来。而在地面上，我们则可以看到地平线以上的雨滴所形成的拱形彩虹。

彩虹形成条件

其实只要空气中有水滴，而阳光正在观察者的背后以低角度照射，便可能产生可以观察到的彩虹现象。彩虹最常在下午，雨后刚转天晴时出现。这时空气内尘埃少而充满小水滴，天空的一边因为仍有雨云而较暗。而观察者头上或背后已没有云的遮挡而可见阳光，这样彩虹便会较容易被看到。另一个经常可见到彩虹的地方是瀑布附近。在晴朗的天气下背对阳光在空中洒水或喷洒水雾，亦可以人工制造彩虹。

彩虹的明显程度，取决于空气中小水滴的大小，小水滴体积越大，形成的彩虹越鲜亮，小水滴体积越小，形成的彩虹就不明显。一般冬天的气温较低，在空中不容易存在小水滴，下雨的机会也少，所以冬天一般不会有彩虹出现。

特殊彩虹的形成

除了通常所见到的彩虹以外，我们还常常听说一些特殊的彩虹。

晚虹（月虹）

月虹，顾名思义，即是在月光下出现的彩虹，

又叫黑夜彩虹、黑虹。由于是由月照所产生的

虹，故通常只见于夜晚。且由于月照亮度较小

的关系，月虹也通常较为朦胧，且通常出现于

月亮反方向的天空。

夜间虽然没有太阳，但如果有明亮的月光，大

气中又有适当的云雨滴，便可形成月虹。由于

月虹的出现需各种天气因素的配合，所以是非

常罕见的自然现象。

由于人类视觉在晚间低光线的情况下难以分辨颜色，故此晚虹看起来好像是全白色的。

双彩虹

有时会见到两条彩虹同时出现，在平常的彩

虹外边出现同心，但较暗的副虹(又称霓)。副虹

是阳光在水滴中经两次反射而成，其产生方式与

清晰的彩虹相同，但不同的是，清晰的彩虹在雨

滴内反射一次，而副虹则是反射两次。由于这种

二次反射，光以不同的角度从雨滴中射出，因此

我们会在较高的地方看到它。

如果仔细观察，会发现副虹中的颜色顺序与主虹相反。霓的颜色排列次序跟主虹是相反的是由于每次反射均会损失一些光能量，因此霓的光亮度亦较弱。两次反射最强烈的反射角出现在50°至53°，所以副虹位置在主虹之外。因为有两次的反射，副虹的颜色次序跟主虹反转，外侧为蓝色，内侧为红色。副虹其实一定跟随主虹存在，只是因为它的光线强度较低，所以有时不被肉眼察觉而已。

苏格兰上空的双重彩虹1307年时欧洲已有人提出彩虹是由水滴对阳光的折射及反射而造成。笛卡尔在1637年发现水滴的大小不会影响光线的折射。他以玻璃球注入水来进行实验，得出水对光的折射指数，用数学证明彩虹的主虹是水点内的反射造成，而副虹则是两次反射造成。他准确计算出彩虹的角度，但未能解释彩虹的七彩颜色。后来牛顿以玻璃菱镜展示把太阳光散射成彩色之后，关于彩虹的形成的光学原理全部被发现。