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彩虹折射

　　最近各種社交網(wǎng)站熱傳一張美圖——原來從高空上往下看，所看到的彩虹是長這樣的：

網(wǎng)傳從高空上往下看，所看到的彩虹是長這樣的

　　真美??！連都忍不住要感慨！可是，這是真的嗎？讓我們補(bǔ)習(xí)一下中學(xué)物理課吧。

　　彩虹是人們時(shí)?？吹降囊环N自然界的光現(xiàn)象。它是如何形成的呢？一說到彩虹的形成，人們常把它跟雨后聯(lián)系在一起。很多人認(rèn)為只有雨后才能出現(xiàn)彩虹。其實(shí)，這種看法是不全面的。雨后天空有時(shí)會(huì)出現(xiàn)彩虹，這固然是事實(shí)，但是在陽光下，噴泉或瀑布的周圍也會(huì)出現(xiàn)彩虹；在夏天，街上奔跑的灑水車的后面，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)一段彩虹；用噴霧器在空中噴霧也可形成彩虹。

　　大多數(shù)人都見過這種普通的彩虹，它們很常見，甚至有時(shí)當(dāng)人們在花園給植物澆水時(shí)就能看見。

　　在中學(xué)物理課上，有個(gè)光的色散實(shí)驗(yàn)：取一個(gè)棱鏡，讓一束白光穿過狹縫射到棱鏡的一側(cè)面，通過棱鏡后，前進(jìn)方向改變，在白色光屏上形成彩色光帶，順序是紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫七種顏色。這與彩虹的顏色很相似。

　　但是空氣中是不可能有三棱鏡存在卻又能形成彩虹。這是何故？

　　這是因?yàn)榭諝庵酗h浮有大量的小水滴。當(dāng)太陽光照射到這些小水滴上，一個(gè)個(gè)的小水滴就像棱鏡似地把白光分解成七種單色光，對陽光起分光色散作用。

　　陽光是如何在小水滴中產(chǎn)生分光色散現(xiàn)象？

　　陽光射入小水滴，即從空氣這種媒質(zhì)進(jìn)入水這種媒質(zhì)，發(fā)生一次折射，由于構(gòu)成白光的各種單色光的折射率不同，紫光波長最短，其折射率最大，紅光波長較長，其折射率最小，其余各色光則介乎其間。因此，光線在小水滴內(nèi)產(chǎn)生分光現(xiàn)象，各色光同時(shí)在小水滴繼續(xù)傳播，遇到水滴的另一界面時(shí)被反射回來，重新經(jīng)過小水滴內(nèi)部，出來時(shí)再一次發(fā)生折射回到空氣中。這樣，陽光在小水滴中進(jìn)行了兩次折射和一次全反射就被分解成紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫七種單色光。當(dāng)空氣中的小水滴數(shù)量很多時(shí)，陽光通過這些小水滴，經(jīng)過反射和折射作用，射出來的光集中在一起，天空中美麗的彩虹就形成了。

　　不管天氣如何，瀑布都將持續(xù)流動(dòng)的溪水制造的薄霧反沖入空氣，且大氣層的飽和度持續(xù)推移。這就促成瀑布出色的攝影伴侶——彩虹的出現(xiàn)。

　　在陽光明媚的日子，風(fēng)激起海洋或湖水中的浪花，且當(dāng)空氣中的水霧和濕度飽和時(shí)，會(huì)形成瀑布彩虹的一個(gè)變種“噴霧虹”。

　　平時(shí)，我們看到的多數(shù)是一條彩虹，視角(從地面至虹頂?shù)慕嵌?約42°。有時(shí)在彩虹的外邊還能看到一條顏色順序與這條彩虹恰好相反，且較暗一些的另一條虹，這條叫副虹。主虹是內(nèi)紫外紅，副虹是內(nèi)紅外紫，副虹又叫霓。霓與主虹為同心的圓弧，兩者之間天空比較暗，虹內(nèi)、虹外天空比較明亮。霓的視角大約51°。它的成因與主虹基本相同。它是陽光在小雨滴中經(jīng)過兩次反射和兩次折射而形成的，即折射——全反射——全反射——折射而形成的。

　　副虹常伴隨主虹出現(xiàn)，它們通常比主虹細(xì)一些、暗淡些。主虹與次虹之間，那部分比周圍天空暗的區(qū)域被稱為 “亞歷山大帶”(即“暗帶”)。

　　關(guān)鍵部分來了——在地平面上，我們看到的主虹與霓是半圓形的，那是因?yàn)樗鼈兿掳氩糠直坏孛嬲谧×恕Ｈ羰钦驹诟呱巾斏?，就能看到主虹與霓的大部分。只有在晴朗的天氣時(shí)，在飛機(jī)艙中向下看，才能看到主虹與霓的全貌，即完整圓環(huán)。

　　盡管常因地面的阻擋，令看到一個(gè)完整的彩虹非常困難，但實(shí)際上大部分可見的彩虹是呈正圓的弧(據(jù)笛卡爾稱，確切弧半徑為42度)。

　　如果太陽的角度太大(例如在中午前后)，或太小(近日出或落日)，我們也不易看到虹，又因虹是陽光經(jīng)小水滴反射進(jìn)入我們眼睛的，所以彩虹永遠(yuǎn)出現(xiàn)在太陽的對面，因此朝虹見于西方，夕虹見于東方。其出現(xiàn)以夏季為主。

　　p.s.還有一些更美的彩虹，不是每個(gè)人都有機(jī)會(huì)看見。

　　紅彩虹常在日出或日落時(shí)可見，那時(shí)地球大氣層的厚度將藍(lán)色光過濾掉，留下更多的是經(jīng)小水滴反射或折射過的紅色或橙色光。這樣一來彩虹的邊際就紅得愈發(fā)厲害了。

　　火彩虹其實(shí)并不是彩虹，與火也沒任何聯(lián)系?！碍h(huán)地平弧”才是這種精美的光學(xué)效應(yīng)的真正名稱。

　　比起彩虹，霧虹十分罕見，因?yàn)檫@種現(xiàn)象必須在特定條件都齊全的情況下才出現(xiàn)。一方面，光源必須在觀測者的后方且低于地平線。同時(shí)，觀測者后方的霧必須很薄，這樣陽光才能照耀到前方更厚的霧。

　　月虹,和幻月一樣，相當(dāng)于是月亮制造的彩虹。月虹同樣很難觀測到，這是由于它的產(chǎn)生需要經(jīng)過一場暴風(fēng)雨，并且，在理想情況下，還需一輪明亮的、沒被云朵鎖住的滿月。

　　動(dòng)力飛行器和空中攝影技術(shù)的出現(xiàn)，令眾人有機(jī)會(huì)目睹宏大的圓形彩虹。所以，我們在飛機(jī)或者高山上見到的，更應(yīng)該是彩虹環(huán)，而不是像加了偏光鏡片的效果。

　　這張照片是跳傘者從半空中拍攝的，可以看到一個(gè)完整的環(huán)狀彩虹。但是，飛機(jī)上看到的彩虹并非每次都是完整的環(huán)狀彩虹。跳傘者的高度較低，離地表較近，霧氣中水滴較大，能夠形成彩色虹。但飛機(jī)位于高空，高空中云滴的直徑通常很小，因此通?？吹降氖前缀?。不僅如此，只有當(dāng)太陽位于天頂時(shí)才能看到標(biāo)準(zhǔn)的圓環(huán)狀虹，當(dāng)太陽高度角大于42°小于90°時(shí)，看到的是橢圓形虹；當(dāng)高度角小于42°時(shí)，看到的則是雙曲線弧段了。

　　參考文獻(xiàn)

1、《現(xiàn)代物理知識》，2004年03期，康良溪。

2、部分圖片來自果殼網(wǎng)、中國國家地理。

綜合報(bào)道

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