彩虹(hong)是由將太陽(yang)光分(fen)(fen)解成(cheng)不同波長或顏(yan)色的水滴形成(cheng)的。而我們平(ping)時看(kan)見的彩虹(hong)只是半弧(hu)形的,這是因為地(di)平(ping)線擋住了它的下半部(bu)分(fen)(fen)。而太陽(yang)的高(gao)(gao)度可以(yi)決定彩虹(hong)弧(hu)度的多少,太陽(yang)在(zai)天空中越(yue)低,彩虹(hong)的底部(bu)就越(yue)高(gao)(gao)。因此站得越(yue)高(gao)(gao),看(kan)到的彩虹(hong)弧(hu)度就越(yue)完整。
由于地球(qiu)表面是一個曲面并且被厚厚的大(da)氣(qi)(qi)所覆蓋,雨(yu)后空氣(qi)(qi)中的水(shui)(shui)含量比(bi)平時高,當陽(yang)光照(zhao)射(she)入空氣(qi)(qi)中的小水(shui)(shui)滴時就(jiu)形(xing)(xing)成了(le)折射(she)。同時由于地球(qiu)表面的大(da)氣(qi)(qi)層(ceng)為(wei)一弧(hu)(hu)面從而導(dao)致(zhi)了(le)陽(yang)光在(zai)表面折射(she)形(xing)(xing)成了(le)我們所見到的弧(hu)(hu)形(xing)(xing)彩虹(hong)。
來自(zi)西澳大利(li)亞(ya)州佩斯的(de)攝影師科林-萊昂(ang)哈特在(zai)旅行經過科茨洛(luo)灘(tan)時,拍到了一(yi)個全(quan)圓形彩虹。
科(ke)林說:“我們(men)當(dang)時在(zai)結束一次(ci)航拍的(de)返程途中,直升機經過(guo)一片陣雨區(qu)。當(dang)我們(men)穿過(guo)雨區(qu)邊緣(yuan)的(de)時候(hou),太陽正在(zai)落山,位置(zhi)很低,陽光正好打造出這一奇特(te)的(de)彩虹。它(ta)就在(zai)我們(men)的(de)正前方(fang)形成了。”
于是科林拿出相(xiang)機,抓拍下了(le)全(quan)圓形(xing)彩虹的形(xing)成過(guo)程。
據(ju)美國國家航(hang)(hang)空航(hang)(hang)天局(ju)介紹(shao),全(quan)圓形彩虹現象(xiang)和觀(guan)測者位置有很大關(guan)系,主要(yao)是(shi)由雨滴對陽光(guang)的(de)(de)內反射形成的(de)(de)。
空中漂浮的(de)小水(shui)滴就像一個(ge)(ge)個(ge)(ge)球形透鏡,陽光射(she)入水(shui)滴后,經過(guo)折射(she)、反射(she)再折射(she)出(chu)來,進入我(wo)們的(de)眼睛(jing)。本來的(de)白光進入水(shui)滴后,會像牛(niu)頓的(de)三棱(leng)鏡實(shi)驗一樣,由于折射(she)而分成不同(tong)的(de)色光,所以彩(cai)虹才有(you)不同(tong)的(de)顏色。
空氣(qi)中布滿水(shui)滴(di),為什(shen)么我們只(zhi)看(kan)到一道彩(cai)虹,而不是(shi)到處都有(you)彩(cai)虹呢?這(zhe)是(shi)因為光線(xian)入(ru)射(she)水(shui)珠的(de)位置,只(zhi)有(you)一個角度會讓折射(she)出的(de)光線(xian)強度最(zui)大(見(jian)圖A)。這(zhe)就是(shi)解讀彩(cai)虹現象的(de)最(zui)基(ji)本(ben)原(yuan)理:入(ru)射(she)光和眼睛(jing)見(jian)到色光的(de)視線(xian)間(jian)有(you)一個固定的(de)夾角。
因此,并不是只有(you)(you)空(kong)中某些特別的(de)水珠會產生彩(cai)虹,而是只有(you)(you)在特定角度的(de)水珠所(suo)折(zhe)射(she)出(chu)來(lai)的(de)色(se)光(guang)才能進入我們的(de)眼(yan)睛(jing)。這(zhe)個角度和不同色(se)光(guang)的(de)折(zhe)射(she)率(lv)有(you)(you)關,例如紅光(guang)的(de)折(zhe)射(she)率(lv)較小,夾角較大(約(yue)42°13');反之(zhi),紫光(guang)折(zhe)射(she)率(lv)小,夾角就(jiu)較小(約(yue)40°30')。這(zhe)就(jiu)造成紅色(se)在上(shang)、紫色(se)在下的(de)彩(cai)虹。
因(yin)為(wei)(wei)陽光是(shi)平行入射,由(you)上述原(yuan)理(li)和“并行線同位(wei)角(jiao)相等”定理(li),進入眼中(zhong)的(de)(de)色光會因(yin)為(wei)(wei)空氣中(zhong)的(de)(de)水珠層厚度的(de)(de)增加(jia)而(er)加(jia)強,這就是(shi)為(wei)(wei)什(shen)么大雨后(hou)的(de)(de)彩虹較清楚、小(xiao)雨后(hou)的(de)(de)較淡薄的(de)(de)原(yuan)因(yin)。
由于(yu)固定(ding)夾角的(de)限制,當太陽在我們頭(tou)上時,折射的(de)光線不(bu)(bu)能(neng)進入眼(yan)睛,所以看不(bu)(bu)到彩虹(hong)。必須到下午4點以后,彩虹(hong)才會在山巒或城市的(de)天(tian)際(ji)出現,而且隨著時間越接近傍晚(wan),彩虹(hong)的(de)位(wei)置(zhi)會越高,這也(ye)是前(qian)述基本原理的(de)應用。
根據(ju)同樣的原(yuan)理,考(kao)慮以通過(guo)眼(yan)睛平行(xing)于入(ru)射陽(yang)光(guang)的直(zhi)線為軸,旋轉在你眼(yan)中造成彩虹(hong)的入(ru)射光(guang)線,這時(shi)(shi),進入(ru)眼(yan)睛的折射色光(guang),會轉出(chu)一個(ge)圓錐面。如果(guo)入(ru)射光(guang)與(yu)地面不平行(xing)(例如下午(wu)4點時(shi)(shi)),這個(ge)圓錐面投射到(dao)我(wo)們眼(yan)里,看(kan)起(qi)來(lai)只是一段短圓弧。但是到(dao)了傍晚,陽(yang)光(guang)平行(xing)于地面時(shi)(shi),我(wo)們眼(yan)中的彩虹(hong),就幾乎是正半圓。
由于(yu)地球(qiu)表(biao)面(mian)是一個曲面(mian)并(bing)且被厚厚的大氣(qi)所(suo)覆蓋,雨后空氣(qi)中的水含量比平時高,當陽光(guang)照射(she)入空氣(qi)中的小水滴時就形成(cheng)了(le)折射(she)。同時由于(yu)地球(qiu)表(biao)面(mian)的大氣(qi)層為一弧面(mian)從而導致了(le)陽光(guang)在表(biao)面(mian)折射(she)形成(cheng)了(le)我們(men)所(suo)見(jian)到的弧形彩虹。
科(ke)學證(zheng)明,所有的(de)彩(cai)虹(hong)都是全圓形的(de),只(zhi)是我們平(ping)時無法從地(di)面上看到(dao)。想要看到(dao)全圓形彩(cai)虹(hong)是非常難得的(de),必須具(ju)備“天時地(di)利”的(de)條件,所以通常只(zhi)有飛行員(yuan)才能(neng)見到(dao)這種自然(ran)奇觀。
火(huo)焰(yan)彩虹,是極為少見的(de)景象,只有太陽(yang)處(chu)于天頂(ding),太陽(yang)光穿射過高海拔處(chu)的(de)卷(juan)云(yun),并且卷(juan)云(yun)富含(han)冰晶時,火(huo)焰(yan)彩虹才有可(ke)能產生。火(huo)焰(yan)彩虹也(ye)叫(jiao)彩虹云(yun)。
氣(qi)象官員又將冰(bing)彩虹稱作"22度(du)虹",因(yin)為這(zhe)種環形(xing)結構是在(zai)太陽周(zhou)圍22度(du)范圍內形(xing)成(cheng)(cheng)的(de)(de)。這(zhe)種視覺(jue)現象是由大(da)氣(qi)里的(de)(de)盤狀冰(bing)晶(jing)反射陽光形(xing)成(cheng)(cheng)的(de)(de)冰(bing)彩虹,這(zhe)些冰(bing)晶(jing)所在(zai)的(de)(de)云(yun)團一(yi)般很薄(bo),而且是一(yi)簇(cu)簇(cu)聚(ju)集在(zai)一(yi)起,常(chang)被稱作卷云(yun)。只有當太陽升得很高(大(da)約位于(yu)地平(ping)線上方(fang)58度(du)范圍內),而且它發出的(de)(de)光正好從(cong)高空卷云(yun)里穿過時(shi),才(cai)能看到這(zhe)種罕見現象。太陽的(de)(de)高度(du)決定(ding)了這(zhe)種光暈的(de)(de)清晰度(du)。而且卷云(yun)里的(de)(de)冰(bing)晶(jing)必須呈六邊形(xing),而且薄(bo)薄(bo)的(de)(de)冰(bing)片必須與地面平(ping)行(xing)。
我們都(dou)(dou)知(zhi)道,彩虹(hong)是(shi)經(jing)(jing)(jing)常(chang)在雨后出現的(de)(de),而(er)且經(jing)(jing)(jing)常(chang)會出現。但是(shi),這種月(yue)亮(liang)彩虹(hong)并(bing)不經(jing)(jing)(jing)常(chang)被人們看(kan)到。因(yin)為月(yue)亮(liang)彩虹(hong)形成的(de)(de)條件比(bi)較少見,它一(yi)般都(dou)(dou)是(shi)在滿月(yue)或者是(shi)馬上就滿月(yue)的(de)(de)夜晚,而(er)且還需要在月(yue)亮(liang)低垂的(de)(de)時候才(cai)會發(fa)生這種現象。這種月(yue)亮(liang)彩虹(hong)看(kan)起來特別的(de)(de)獨特,非常(chang)漂亮(liang)。最(zui)經(jing)(jing)(jing)常(chang)看(kan)到月(yue)亮(liang)彩虹(hong)的(de)(de)地方就是(shi)在美國的(de)(de)坎伯蘭大瀑(pu)布那里,還可以看(kan)到很漂亮(liang)的(de)(de)月(yue)亮(liang)彩虹(hong)。