彩(cai)虹是由(you)將(jiang)太陽(yang)光(guang)分解(jie)成(cheng)不(bu)同波長(chang)或(huo)顏色(se)的(de)(de)水(shui)滴(di)形(xing)成(cheng)的(de)(de)。而我們平時看見的(de)(de)彩(cai)虹只是半弧(hu)形(xing)的(de)(de),這(zhe)是因(yin)為地平線擋住了它的(de)(de)下(xia)半部分。而太陽(yang)的(de)(de)高(gao)(gao)度可以(yi)決(jue)定彩(cai)虹弧(hu)度的(de)(de)多(duo)少,太陽(yang)在天空中越(yue)低(di),彩(cai)虹的(de)(de)底部就越(yue)高(gao)(gao)。因(yin)此站得(de)越(yue)高(gao)(gao),看到的(de)(de)彩(cai)虹弧(hu)度就越(yue)完整。
由于(yu)地球表面是一(yi)個(ge)曲(qu)面并且被厚厚的大氣(qi)所覆蓋(gai),雨后空氣(qi)中(zhong)的水含量(liang)比平時(shi)(shi)(shi)高,當陽光照(zhao)射(she)入(ru)空氣(qi)中(zhong)的小水滴時(shi)(shi)(shi)就(jiu)形成了(le)折射(she)。同(tong)時(shi)(shi)(shi)由于(yu)地球表面的大氣(qi)層為一(yi)弧(hu)面從而導致了(le)陽光在表面折射(she)形成了(le)我們所見到的弧(hu)形彩虹。
來自西(xi)澳(ao)大利亞州佩斯的攝影師(shi)科林-萊(lai)昂(ang)哈(ha)特在(zai)旅行經過科茨洛灘(tan)時(shi),拍到了一(yi)個全(quan)圓形彩虹(hong)。
科林(lin)說(shuo):“我們(men)當時(shi)在(zai)結束一次航(hang)拍(pai)的(de)返程途中,直升機經過一片陣雨(yu)區(qu)。當我們(men)穿過雨(yu)區(qu)邊緣(yuan)的(de)時(shi)候,太陽正在(zai)落山,位置很低,陽光正好打造出這一奇特的(de)彩(cai)虹。它(ta)就在(zai)我們(men)的(de)正前方(fang)形(xing)成(cheng)了(le)。”
于是科林拿出相機(ji),抓拍下了全圓形彩虹的形成(cheng)過程(cheng)。
據美(mei)國國家航空航天局介紹,全圓形(xing)彩虹現象(xiang)和觀測者位置有很大關系,主要(yao)是由(you)雨滴對陽(yang)光的(de)內反射形(xing)成(cheng)的(de)。
空中漂浮的(de)(de)(de)小(xiao)水滴(di)就(jiu)像(xiang)一個個球(qiu)形透鏡,陽(yang)光射(she)入水滴(di)后,經過(guo)折(zhe)射(she)、反(fan)射(she)再折(zhe)射(she)出來,進入我們的(de)(de)(de)眼睛(jing)。本(ben)來的(de)(de)(de)白(bai)光進入水滴(di)后,會像(xiang)牛頓的(de)(de)(de)三棱鏡實驗一樣,由于(yu)折(zhe)射(she)而分成不(bu)同的(de)(de)(de)色光,所以彩虹才(cai)有不(bu)同的(de)(de)(de)顏色。
空氣(qi)中布(bu)滿水滴,為(wei)什么我們(men)只看到(dao)一道彩虹,而不是到(dao)處都(dou)有(you)(you)彩虹呢(ni)?這是因為(wei)光線(xian)入(ru)射(she)水珠的(de)(de)位置(zhi),只有(you)(you)一個角(jiao)度會讓折(zhe)射(she)出的(de)(de)光線(xian)強度最大(見(jian)圖A)。這就是解讀彩虹現象的(de)(de)最基本(ben)原(yuan)理:入(ru)射(she)光和眼(yan)睛見(jian)到(dao)色(se)光的(de)(de)視(shi)線(xian)間有(you)(you)一個固(gu)定的(de)(de)夾角(jiao)。
因此,并不是只有空中某些(xie)特別的(de)(de)(de)水珠會產生彩(cai)虹,而是只有在特定角度的(de)(de)(de)水珠所折(zhe)射出來的(de)(de)(de)色光(guang)(guang)(guang)才能進入(ru)我(wo)們的(de)(de)(de)眼睛。這個角度和不同色光(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)折(zhe)射率有關,例(li)如紅(hong)光(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)折(zhe)射率較(jiao)小,夾(jia)角較(jiao)大(約(yue)42°13');反之,紫(zi)光(guang)(guang)(guang)折(zhe)射率小,夾(jia)角就較(jiao)小(約(yue)40°30')。這就造成紅(hong)色在上、紫(zi)色在下的(de)(de)(de)彩(cai)虹。
因(yin)為陽光(guang)是(shi)平行入射,由上述原(yuan)理和(he)“并行線同位角(jiao)相等(deng)”定理,進入眼中的(de)色光(guang)會因(yin)為空氣中的(de)水(shui)珠(zhu)層厚度的(de)增加而加強,這就是(shi)為什么(me)大雨(yu)后的(de)彩虹較清(qing)楚、小雨(yu)后的(de)較淡薄的(de)原(yuan)因(yin)。
由于(yu)固定夾(jia)角的限制,當太陽(yang)在我(wo)們頭上(shang)時,折射的光線不能進入眼睛,所以看不到彩(cai)虹(hong)。必須(xu)到下(xia)午(wu)4點以后(hou),彩(cai)虹(hong)才會在山巒或城市(shi)的天際(ji)出(chu)現,而且隨著(zhu)時間越接近傍晚,彩(cai)虹(hong)的位置會越高,這也是前(qian)述基(ji)本原理的應用。
根據同樣的(de)原理,考慮(lv)以通過眼(yan)睛(jing)平行于入(ru)(ru)射陽光(guang)的(de)直線(xian)為軸,旋(xuan)轉(zhuan)在你眼(yan)中造成彩虹的(de)入(ru)(ru)射光(guang)線(xian),這時,進(jin)入(ru)(ru)眼(yan)睛(jing)的(de)折射色光(guang),會轉(zhuan)出一個(ge)圓錐面。如果入(ru)(ru)射光(guang)與地(di)面不平行(例如下午4點時),這個(ge)圓錐面投射到我(wo)們眼(yan)里,看(kan)起來只是(shi)一段短(duan)圓弧。但是(shi)到了傍晚,陽光(guang)平行于地(di)面時,我(wo)們眼(yan)中的(de)彩虹,就幾乎是(shi)正半(ban)圓。
由于地(di)球表(biao)面(mian)(mian)是一個曲面(mian)(mian)并且被厚(hou)厚(hou)的(de)大氣所(suo)覆蓋,雨后空氣中的(de)水含量比平時(shi)高(gao),當(dang)陽光照射(she)入空氣中的(de)小水滴(di)時(shi)就形(xing)成了(le)折射(she)。同(tong)時(shi)由于地(di)球表(biao)面(mian)(mian)的(de)大氣層為一弧面(mian)(mian)從而導致了(le)陽光在(zai)表(biao)面(mian)(mian)折射(she)形(xing)成了(le)我(wo)們所(suo)見到的(de)弧形(xing)彩(cai)虹。
科學證(zheng)明,所有(you)的(de)彩虹都是(shi)全圓(yuan)形(xing)的(de),只是(shi)我(wo)們平(ping)時無法從地面上看到。想(xiang)要看到全圓(yuan)形(xing)彩虹是(shi)非常(chang)難(nan)得的(de),必須具(ju)備“天時地利”的(de)條件,所以通常(chang)只有(you)飛行(xing)員才能見到這(zhe)種自(zi)然奇(qi)觀。
火焰(yan)(yan)彩虹(hong),是極為少見的(de)景象(xiang),只有太陽處(chu)于天頂(ding),太陽光穿射過高海(hai)拔處(chu)的(de)卷云,并且(qie)卷云富含(han)冰晶(jing)時,火焰(yan)(yan)彩虹(hong)才(cai)有可能產生。火焰(yan)(yan)彩虹(hong)也(ye)叫彩虹(hong)云。
氣象官員又將冰彩(cai)虹稱作(zuo)"22度(du)虹",因為(wei)這(zhe)種環(huan)形(xing)結構(gou)是在太(tai)(tai)陽周圍22度(du)范(fan)圍內形(xing)成的。這(zhe)種視(shi)覺現(xian)象是由大氣里的盤狀冰晶(jing)反射陽光形(xing)成的冰彩(cai)虹,這(zhe)些冰晶(jing)所在的云(yun)團一般很(hen)薄,而且是一簇(cu)(cu)簇(cu)(cu)聚(ju)集在一起(qi),常(chang)被稱作(zuo)卷(juan)云(yun)。只有當太(tai)(tai)陽升得很(hen)高(gao)(大約位于地平(ping)線上方58度(du)范(fan)圍內),而且它發出(chu)的光正好(hao)從高(gao)空卷(juan)云(yun)里穿過(guo)時,才能看(kan)到這(zhe)種罕見現(xian)象。太(tai)(tai)陽的高(gao)度(du)決定了這(zhe)種光暈的清(qing)晰度(du)。而且卷(juan)云(yun)里的冰晶(jing)必須呈六(liu)邊形(xing),而且薄薄的冰片必須與地面(mian)平(ping)行。
我們都知道,彩(cai)虹(hong)是經(jing)常在(zai)(zai)雨后(hou)出現(xian)的(de),而(er)且經(jing)常會出現(xian)。但是,這(zhe)種月(yue)亮(liang)彩(cai)虹(hong)并不經(jing)常被人(ren)們看(kan)到(dao)。因為月(yue)亮(liang)彩(cai)虹(hong)形成的(de)條件比較少見(jian),它一(yi)般都是在(zai)(zai)滿(man)月(yue)或者是馬上就滿(man)月(yue)的(de)夜晚,而(er)且還需要(yao)在(zai)(zai)月(yue)亮(liang)低垂(chui)的(de)時候才會發生這(zhe)種現(xian)象。這(zhe)種月(yue)亮(liang)彩(cai)虹(hong)看(kan)起來特(te)別的(de)獨特(te),非常漂亮(liang)。最經(jing)常看(kan)到(dao)月(yue)亮(liang)彩(cai)虹(hong)的(de)地方就是在(zai)(zai)美國的(de)坎伯蘭(lan)大瀑(pu)布那里,還可以(yi)看(kan)到(dao)很漂亮(liang)的(de)月(yue)亮(liang)彩(cai)虹(hong)。