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为什么会出现“彩虹”

彩虹是怎么形成的?

作者:令狐少虾     时间:2010-6-1     点击率:35637


霓(上)与虹(下)

彩虹是一种大气现象,当空气中富集了大量的水汽,经过太阳光以较小的角度照射,阳光照射在水蒸气中的小水滴上会折射出七彩的色带。彩虹其实还分2种,一种彩虹半径较短的内侧是红色的,而半径较长的外侧是紫色的,这就是“虹”;还有一种彩虹实际应该被称作“霓”,半径较短的内侧是紫色的,而半径较长的外侧是红色的。虹和霓有时候是并存的,有时也只有虹而没有霓。霓和虹都是阳光被小水珠折射和反射所形成的彩虹现象。光线被水珠折射两次反射一次就叫做虹;光线被水珠折射两次反射两次就叫做霓。由于霓比虹反射多一次,光线的强度较弱,所以并不常见。另外,因为霓和虹反射路径不同,所以我们看到霓的七色刚巧与虹的七色是上下相反的。彩虹出现的时候都在早上和傍晚,这时候太阳比较接近地平线,照射的角度也就很低。如果是在早上,太阳从东边升上来,那么彩虹就会在西边天空中出现;如果是在傍晚,太阳西沉下去,彩虹就会出现在东边天空中。彩虹多是在雨后出现,因为一般在雨后,空气中的水蒸气非常多,这时候太阳出来,照射水蒸气,就比较容易出现彩虹。但是也有特殊情况,气候潮湿,其实有可能是因为高空中是下了小雨的,但是水汽没有达到足够的量,雨下到半空中还没来得及落地就蒸发掉了。也就是说,在比较高的空中还是有很多的小水滴的。这时候,太阳出来照射空气中的水滴,就出现了美丽的彩虹。彩虹是由空中的雨滴像三棱镜那样折射分解阳光而形成的,所以彩虹通常在白天有太阳的时候出现。然而,令人惊异的是,夜间的天空,也会出现彩虹,不过不是白天的日虹,而是月虹。
  


和白天的日虹一样,月虹的形成也需要光源。夜间虽然没有太阳,但如果有明亮的月光,大气中又有适当的云雨滴,便可形成月虹。月球反射太阳光,故月光也由赤橙黄绿青蓝紫这七种可见的单色光组成,从而折射出月虹也是彩色的。不过,月光毕竟比阳光弱得多,因此形成的月虹没有日虹那么明亮,只能在接近满月的时候才能看到。
  

捕捉到月虹美景的摄影师克里斯沃克说:“我在开车回家的时候发现天空中的景象与平时不同。我身后是一轮满月,风也很大,雨滴从地平线上的云层中落下来。当我到家的时候月亮非常明亮,所以我清楚地看到天空中的景象居然是月光形成的彩虹。”


倒挂彩虹现象和普通意义上的彩虹出现的原理是不一样的,倒挂彩虹在天文学上被称为幻日弧光现象,其样子看起来是一个倒挂着的彩虹。
  

人们经常见到的彩虹,是由于雨滴或雾滴对太阳光折射产生的一道七色光谱的弧。而幻日弧光的形成条件是天空晴朗、云层非常少,同时阳光还得以一定的角度照射在距离地面6100米-7625米的云层中的细小的冰晶上形成折射。此外,云层中的冰晶表面一定得是弯曲的,且颗粒比盐粒还要小。
  


事实上,除形成条件与彩虹不同外,幻日弧光的光谱排列顺序也和彩虹不同。幻日弧光的颜色排列方式为紫色在最上面,红色在最下面,刚好和彩虹相反。而由于卷云中的冰晶会不断改变方向,幻日弧光存在天空的时间极为短暂。

幻日弧光.jpg

以上内容来自于 http://lxyd.imech.ac.cn/info/detail.asp?infono=13578


彩虹

维基百科,自由的百科全书

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%BD%A9%E8%99%B9

彩虹,又称天弓(客家话)、天虹、绛等,简称虹,是气象中的一种光学现象,当太阳光照射到半空中的水滴,光线被折射及反射,在天空上形成拱形的七彩光谱,由外圈至内圈呈 红、 橙、 黄、 绿、 蓝、 靛、 紫七种颜色[1]。事实上彩虹有数百万种颜色,比如,在红色和橙色之间还有许多种细微差别的颜色,但为了简便起见,所以只用七种颜色作为区别[2]。

彩虹
其实只要空气中有水滴,而阳光正在观察者的背后以低角度照射,便可能产生可以观察到的彩虹现象,彩虹最常在下午,雨后刚转天晴时出现,这时空气内尘埃少而充满小水滴,天空的一边因为仍有雨云而较暗,而观察者头上或背后已没有云的遮挡而可见阳光,这样彩虹便会较容易被看到。另一个经常可见到彩虹的地方是瀑布附近,在晴朗的天气下背对阳光在空中洒水或喷洒水雾,亦可以制造人工彩虹。
月虹,又称晚虹,是一种非常罕见的现象,在月光强烈的晚上可能出现,由于人类视觉在晚间低光线的情况下难以分辨颜色,故此晚虹看起来好像是全白色。

彩虹

原理

彩虹是因为阳光射到空中接近球形的小水滴,造成色散及反射而成。阳光射入水滴时会同时以不同角度入射,在水滴内亦以不同的角度反射。当中以40至42度的反射最为强烈,造成我们所见到的彩虹。造成这种反射时,阳光进入水滴,先折射一次,然后在水滴的背面反射,最后离开水滴时再折射一次,总共经过一次反射两次折射。因为水对光有色散的作用,不同波长的光的折射率有所不同,红光的折射率比蓝光小,而蓝光的偏向角度比红光大。由于光在水滴内被反射,所以观察者看见的光谱是倒过来,红光在最上方,其他颜色在下。因此,彩虹和霓虹的高度不一样,颜色的层递顺序也正好反过来。彩虹意旨光线经过两次折射一次反射,霓虹则是光线经过两次折射两次反射。

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公式.PNG

“霓”是与“虹”相对应的一种自然现象。虹是下雨天以及在雨后天晴之际,阳光穿透还残余在空气中的水珠而发生折射,散射出七彩的光芒。彩虹形状多为弧形,出现在和太阳相对着的方向,从外(半径大的)弧至内弧的颜色依次为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。霓也叫“副虹”,形成与彩虹原理大致相同,只是光线在水珠中的反射多了一次,彩带排列的顺序和彩虹相反,红在内,紫在外。而彩虹和霓主要也是因为折射和反射的次数上之差别,导致色彩的排列刚好相反。

彩虹其实并非出现在半空中的特定位置。它是观察者看见的一种光学现象,彩虹看起来的所在位置,会随着观察者的位置改变而转移。而一般看到彩虹也可能只是一半,并非全部(一座桥样),主要也因为区域性的气候上水汽湿度差别的影响当观察者看到彩虹时,它的位置必定是在太阳的相反方向。彩虹的拱以内的中央,其实是被水滴反射,放大了的太阳影像。所以彩虹以内的天空比彩虹以外的要亮。彩虹拱形的正中心位置,刚好是观察者头部影子的方向,虹的本身则在观察者头部的影子与眼睛一线以上40°至42°的位置。因此当太阳在空中高于42度时,彩虹的位置将在地平线以下而不可见。这亦是为什么彩虹不会出现在中午的原因,主要和太阳光入射的角度有绝对的关系。
彩虹由一端至另一端,横跨84°。以一般的35mm照相机,需要焦距为19mm以下的广角镜头才可以用单格把整条彩虹拍下。倘若在飞机上,会看见彩虹会是完整的圆形而不是拱形。

苏格兰上空的虹与霓
早在中国唐朝,孔颖达就提出了“若云薄漏日,日照雨滴则虹生”,表明了虹是日光照射雨滴所产生的自然现象。其后,张志和还进行了人工造虹的试验,证实了虹的产生是阳光通过水滴的结果。他还指出,要看到虹必须“背日”[3] 。北宋时,精通天文历算之学的进士孙彦先便提出“虹乃雨中日影也,日照雨则有之。”的说法,已解释了彩虹乃是水滴对阳光的折射和反射[4] 。孙彦先的发现后来也被宋代沈括的梦溪笔谈所引用及证实,且沈括也细微地观察到虹和太阳的位置与方向是相对的现象[5]。孙彦先和沈括等人对虹的这些发现比西方早了几百年。1304年至1310年间,欧洲多明我会修士迪特里希·冯·弗赖贝格(Dietrich von Freiberg)通过把注满水的圆形玻璃瓶置于太阳光下,研究虹的形成机理。他使用注满水的玻璃瓶,不是将它看成缩微的云,而是看成放大的水滴。笛卡尔在1637年发现水滴的大小不会影响光线的折射。他以玻璃球注入水来进行实验,得出水对光的折射指数,用数学证明彩虹的主虹是水点内的反射造成,而副虹则是两次反射造成。他准确计算出彩虹的角度,但未能解释彩虹的七彩颜色。

后来牛顿以玻璃棱镜展示把太阳光散射成彩色之后,关于彩虹的形成的光学原理才全部被发现。

变化

多重彩虹

大多数人因为没有积极的去观察而不会注意到霓,霓是经常出现在主虹外侧昏暗的第二道彩虹。霓是阳光经由雨滴内两次反射和两次折射产生的,出线的角度在50–53°(参看)。两次反射的结果,使得霓的色彩排列和虹的弧相反,蓝色在外而红色在内。霓比虹暗弱,因为两次反射不仅使得更多的光线逃逸掉,散布的区域也更为宽广。在虹与霓之间未被照亮的天空,因为是亚历山大最先描述的,所以被命名为亚历山大带。
更暗的第三道虹,甚至第四道虹,都曾经被拍摄过。这些是阳光在雨滴内经过三次或四次反射造成的。这些虹都出现在与太阳同一侧的天空,第三道和太阳相距约40°,第四道则约为45°。因为阳光的关系,用肉眼很难看见[6]。
Felix Billet (1808–1882) 叙述过更高阶的虹,他描绘出第19道虹的位置,并称此种模式为”彩虹玫瑰”[7][8]。在实验室内,使用更明亮的光线和准直良好的激光,可以观察到更高阶的虹。据报吴等多人在1998年使用类似的方法,以氩离子激光光束达到200阶的虹[9]。

反射虹和被反射虹

当彩虹出现在水面的物体上时,来自不同光路互补的两个镜弧可能分别出现在水面上和水面下。它们的名称略有不同,如果水面是平静的(参件上方的图片)被反射虹将呈现镜像出现在水面的地平线下方。阳光在抵达观测者之前首先受到雨滴的偏折,然后经过水面的反射。被反射虹,至少是一部分,经常可见,甚至在小水坑都可见。

当阳光在抵达雨滴前先被水面反射(参见图),它可能生成反射虹(见右图),如果水面够大,整个表面也是平静的,并靠近雨幕,反射虹便可能出现在地平线之上。它与正常的彩虹交会在地平线处,并且它的弧会在天空的较高处,因为它的中心在地平线之上,而正常彩虹的中心在地平线之下。由于需要上述条件的配合,反射虹是很罕见的。
如果反射的弧再被反射,并且霓反射弧和他的反射弧同时都出现,同时出现6条(或是8条)彩带也是可能的[10]。

全圆彩虹
全圆彩虹导因于雨滴对阳光的“内反射”所造成的,因为雨滴和空气的折射率不同导致[11]。

神话及宗教中的彩虹

因为彩虹的美和它是个难以理解的现象,古人便以神话来解释地球上有彩虹这一现象,所以彩虹在神话中占有一席位。后来由伽利略研究对于光的特性之后,才能解释彩虹这个现象。

在中国神话中:
女娲炼五色石补天,彩虹即五色石发出的彩光。
虹 (龙),龙的一种。
在希腊神话中,伊里斯(Iris)是沟通天上与人间的使者。
在爱尔兰民间传说中,矮精灵拉布列康(leprechaun)将宝藏收于彩虹的尽头。
在印度神话中,彩虹是雷电神“因陀罗”(又译作“帝释天”)的弓,名为Indradhanush.
在北欧神话中,彩虹桥(Bifröst)连接众神的领域“亚斯格特”(Asgård)和人类居所“中土世界”(Midgård).也就是神和人类的交通要塞,透过彩虹桥可以往来。
在台湾太鲁阁族、赛德克族、泰雅族中,彩虹的尽头是祖灵的所在地。
在犹太教和基督教经典圣经创世记中耶和华让诺亚建造方舟避开洪水,之后耶和华上帝以彩虹跟诺亚及其子孙立约,不再降大洪水来毁灭世界。(创9:11 我与你们立约,凡有血肉的,不再被洪水灭绝,也不再有洪水毁坏地了。创9:13 我把虹放在云彩中,这就可作我与地立约的记号了。)

颜色代码.PNG

参考资料

1.《现代汉语词典》商务印书馆 1978年版、p.462。

2. 查理斯.泰勒、史蒂芬.匹柏 编著. 牛津科学大百科. 明天国际. 2009年3月30日: P.21. ISBN 9789866658709 (中文(台湾)‎).

3.金秋鹏. 中国古代光学成就. 东华理工大学. [2012-06-23].

4.D-Horse. 彩虹为什么是弯的?. 科学松鼠会. 2011-12-28 [2012-06-23].

5.沈括,《梦溪笔谈》卷二十一:异事异疾附

6.Triple Rainbows Exist, Photo Evidence Shows, Science Daily Oct. 5, 2011

7. Billet, Felix. Mémoire sur les Dix-neuf premiers arcs-en-ciel de l’eau. Annales scientifiques de l’École Normale Supérieure. 1868, 1 (5): 67–109 [2008-11-25].

8. Walker, Jearl. How to create and observe a dozen rainbows in a single drop of water. Scientific American. 1977, 237 (July): 138–144 + 154 [2011-08-08].

9. Ng, P. H.; Tse, M. Y.; Lee, W. K. Observation of high-order rainbows formed by a pendant drop. Journal of the Optical Society of America B. 1998, 15 (11): 2782. Bibcode:1998JOSAB..15.2782N. doi:10.1364/JOSAB.15.002782.

10. Terje O. Nordvik. Six Rainbows Across Norway. APOD (Astronomy Picture of the Day). [2007-06-07].

11. Where’s the pot of gold? Amazing picture of ultra rare circle rainbow captured from flight Down Under. DailyMirror. [2014-10-14].



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