彩虹是怎么形成的(彩虹的自然现象原理详解)

 2022-12-28 08:11:50    77  

彩虹并不是非常罕见的现象。夏天傍晚,一场酣畅淋漓的雷雨过后,彩虹便有可能挂在天空中。此时如果你正在视野开阔的地方,便会看到彩虹如同一个拱门。

彩虹是怎么出现的

一句话:彩虹就是阳光在小水滴中发生“折射-反射-折射”后,投射到你眼中的彩色光波的集合体。

就像牛顿用三棱镜分解出了七色光(红橙黄绿蓝靛紫)一样,阳光以一定角度射入悬浮在空气中的水滴时,也会被分解出不同颜色的光波,而这些光波在水中的折射率不同,红光偏折最小,而紫光最大,所以高处水滴提供红光,低处水滴提供蓝紫光,最终我们看到就是红色在最外圈、蓝紫色在最内的色彩斑斓的彩虹。

但是,有时候的彩虹并不完整,样子便同一条沟通天地之间的彩桥。

彩虹是怎么形成的(彩虹的自然现象原理详解)-第1张图片

有时候也并非都是七彩的,比如“白虹”。

在海面附近,或者大雾天气,或者月光下,都有可能出现白虹,它和彩虹形态类似,区别只在于没有七彩加身,通体雪白。

彩虹是怎么形成的(彩虹的自然现象原理详解)-第2张图片

实际上的白虹是由彩虹再加工来的:当彩虹的光线射过细小水滴的时候,发生衍射,射出的绿光角度会比较大,结果绿光会重合在红光和蓝光上面,就会形成一种宽阔的白色虹,即是白虹。另外在月夜也会出现白虹,被称为晚虹,由于人视觉在晚间弱光的情况下难以分辨颜色,所以晚虹看起来好像是全白色。

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有时候也有浑身赤红的“红虹”。当太阳落到地平线附近,阳光需要穿过很长一段大气才能到达地表,在这个过程中,蓝色的光被消磨殆尽,成为强弩之末,只有红色的光一往无前。如果此时红光遇到一团雨滴,就可能出现奇妙的红虹。

另外,还有圈粉无数的双彩虹多彩虹。。。

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2016年8月,北京雨后出现“双彩虹”美景

通常我们看到的只有一道彩虹,这道被称为“主虹”。如果运气好,那么可以看到第二道彩虹,被称为“副虹”,也就是人们常说的霓。

天上最多可以出现多少道彩虹?

我们知道彩虹的形成是由于光的反射

但是,如果光在水滴中多反射了一次,也就是“折射-反射-反射-折射”,那么彩色光波的排序就会恰好反了过来,这就是“双彩虹”中的霓了。由于在各个界面biu来biu去太多次,光线的能量有损失,所以我们看到的霓的亮度比虹要小很多。

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左图为虹,右图为霓(图片来源:腾讯科技)

江湖传闻,光还可以有更多次数的反射,从而出现三道杠三道彩虹甚至多道彩虹,但由于这些时候光线能量损耗太大、亮度更加弱,想看到那都是非常非常难的了。

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2015年4月21日,纽约一女子拍摄到4道彩虹的罕见美景。(图片来源:中新网)

为什么彩虹是弯的?

上面说到,每种颜色的光波由于折射率不同,各有特定的弯曲角度,阳光中的红色光,折射的角度大约是42度,蓝紫色光的折射角度约只有40度。

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彩虹与人眼位置示意图(制图:任成英)

所以如果你画一条假想线,连接你的后脑勺和太阳,并向你的面前延伸,那么与这条线呈40~42度夹角的地方,就是通常彩虹所在的位置。事实上,如果你有丰富的看彩虹经历,你会发现,越是靠近红色光波部分的彩虹,色彩越是明显,反之,越是靠近蓝紫色部分,色彩越是黯淡。所以,我们一般用红色光波的42度左右夹角,来找彩虹位置。

彩虹是怎么形成的(彩虹的自然现象原理详解)-第8张图片

彩虹即为这个圆锥体的底部圆弧。(制图:任成英)

现在,有无数平行光线在水滴中射入射出,而最终能投射入眼睛、被你看到的,则是与平行入射光线成42度左右的光束集合体,于是,我们得到了一个以你的眼睛为顶点的圆锥体,而这个圆锥底面的圆弧就是彩虹啦!但是由于有地平线的遮挡,我们大多数时候看到的彩虹就只能是半弧形的了。从这个意义来说,我们每个人看到的彩虹都是阳光“现做现卖”的专属彩虹。

但是也有例外,比如我们可以上天呀!网上就曾流传有一张据说是跳伞者从半空中拍摄到的环形彩虹,怎么回事呢?

彩虹是怎么形成的(彩虹的自然现象原理详解)-第9张图片

(图片来源:果壳网)

彩虹是怎么形成的(彩虹的自然现象原理详解)-第10张图片

翻转一下,就看到圆环彩虹了

把那张圆锥体的图翻转一下你就能明白了,而且只有当太阳高度角为90度时,你才能在“合适的高度条件+合适的水汽条件”下看到正圆形彩虹。

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