双彩虹是怎么形成的?为什么会有圆形彩虹?

彩虹是一种比较常见的自然现象,在早晨和傍晚,雨后阳光中就有可能出现。在9月20日清晨(即今晨…)广州天空中就出现了壮观的双彩虹。

这还不算特别稀奇的,因为双彩虹其实还是挺常见的,而这次网友还拍到了圆形的双彩虹!

这估计是99.99%以上同学现实中从来没有见过的了吧?你以为这就完了吗?没完!如果圆形的双彩虹你从前还能在网上看见过,那么下面这个图在今天以前你一定没看见过——与中国第一高塔,广州地标广州塔小蛮腰完美相切的圆形双彩虹!

这样的圆形彩虹你应该见不到第二张了(^_^)。看不清?来一张局部放大的吧:

那么彩虹是怎么形成的呢?双彩虹又是怎么形成的呢?为什么我们平常看不到圆形的彩虹?如果你有这些疑问,这篇文章将为你解答。

要解答这个问题之前,我们要先了解一个基本常识:光的色散现象。这是由史上最伟大的科学家艾萨克牛顿在三棱镜分光实验中发现的,当太阳光以一定的角度入射三棱镜后,经过折射会被分解成不同颜色的光,这种现象称为光的色散。

我们现在知道,这是由于白色的太阳光是由不同波长的光组成的,不同的波长的可见光对应了不同的颜色,波长最长的可见光为红色,波长最短的为紫色。不同波长的光在介质中具有不同的折射率,红光的折射率较低,紫光的折射率较高,这导致它们以相同的角度入射介质以后会以不同的角度出射,这样就产生了色散。

彩虹形成的原因,就是太阳光照射空气中的小水珠后经过折射-反射-再折射后产生色散的现象。我们先看一下太阳光在水珠中的行进路径:

上图是代表太阳光中的红光在水滴中产生的折射与反射过程,而由于不同波长的光在水滴中的折射率并不一样,所以我们来看看折射率更高的紫光的折射和反射路径:

由于不同的折射率,太阳光入射同一个水滴后,会把红光和紫光散射向不同的方向,紫光散射的方向更高,所以在这一个水滴里,我们只能看到反射的红光。要把紫光刚好也这样折射在反射到我们的眼里,太阳光需要照射更低的水滴,因此,我们看到那道明亮的彩虹的颜色是上面是红光,下面是紫光。

那么问题来了,它为什么是弧形的?这就是由于那个折射率导致的。在上面的折射-反射路径图中,有没有留意我下面标注了一个角度≈42°?这就是太阳光经过水滴反射到我们眼里时所产生的折射率。以太阳和你的连线作为圆心,以42度为夹角画一个圆就是你能看到的圆形彩虹了,但由于大部分情况下,彩虹的下半部分是被地平线遮挡的,所以我们通常只能看到半圆弧的彩虹,这同时也是我们为什么只能在清晨和傍晚看到彩虹的原因。

知道这个弧形的成因你就会明白为什么有的时候能看见圆形的彩虹,答案很简单,只要你站得足够高,以至圆形彩虹的下半部分不被遮挡,就能看见一个完整的圆形彩虹了。你能看到的圆形彩虹相片,无一例外都是从高空拍摄的。

那么问题又来了,双彩虹那个黯淡的外圈又是怎么回事呢?那一圈我们一般称为副虹,古时候又称为霓,与明亮的主虹合称为霓虹,晚上五颜六色的霓虹灯就是以此得名的。

副虹其实是由于水滴对太阳光的二次折射反射导致的。由于上面的光路折射-反射图大家已经大概知道光路的原理了,所以这个图我就画简单一点,也不标注文字了,大家只要能看明白上面两个图就应该能看明白这个。

当太阳光经过这样的二次折射和反射,红光和紫光的上下位置就逆转了,红光需要照射更低的水滴才能反射进我们的眼睛,因此我们看到副虹的颜色顺序跟主虹是相反的。副虹经过二次折射-反射后,夹角达到约51度,因此它处在主虹的外围。同时由于经过了二次反射,被反射的光会大量减少,毕竟水滴本身是透光的,所以副虹一般比较暗淡,很多时候是看不见的。

今天的科普到此为止了,我是星宇飘零,如果喜欢科学,欢迎关注我,会持续更新有趣科普。