图2 彩虹图画
当然，虽然彩虹并非确切存在，但并不能代表我们无法解释它是如何形成的，通俗的问法就是：“我们为什么可以看到彩虹？”
这个问题的答案是：“42。”
这是一个很有意思的答案。实际上简单来讲，彩虹是由光、水和一些物理变化而形成的。
今天，就由我带大家了解一下彩虹与其兄弟双彩虹现象形成的原因！
1.自然界中的光
让我们从太阳光开始说起。我们看到的太阳光是白色的，但要感谢艾扎克·牛顿，他利用三棱镜使得一束复色光分散成多束单色光而成彩色光束，让我们知道白光中包含所有可见颜色的光波。这种白光分解的现象被称作光的色散。
图1-1 牛顿的三棱镜实验
彩虹是大自然的杰作之一，是光的色散的绝佳表现。其从内到外的不同颜色，是可见光由光谱组成的一个重要证据。要想看到彩虹，你必须在雨后背对着太阳，以大约42度的角度仰视天空。此时每一滴水就像一个微小的棱镜，既能驱散光线，又能将其反射回你的眼睛，使特定颜色波长的光到达你的眼睛。为了理解这种现象，我们需要先了解光在水滴中传播的过程。
图1-2 太阳光中红光与蓝光的折射角度
图1-3 彩虹
2.光的折射
大气中悬浮的水滴的起着折射光的作用。这些悬浮的液体棱镜因其表面张力而保持最小形态，从而被压缩成球状，并且每一个都能捕捉日光，让它们自己成为彩虹制造工厂的一部分，此时就可以进行物理变化了。
水是一种光密度与周围空气不同的介质。光波从一种介质穿过边界到另一种介质时传播方向发生变化的现象叫做折射。如图2-1，当太阳光入射到雨后的水珠表面时，光会通过一次折射进入水珠，在水珠内进行一次反射后，再通过一次折射射出水珠。
图2-1 太阳光在水滴中的传播过程
由于在同一介质中不同波长的光的折射率不同，其折射的偏转角也就不同。通常情况下，光的波长越长，其折射率越小，偏转角就越大，如表2-1所示，各色光就会因为偏转角的不同而分开。第一次折射过后，各单色光偏折的角度从低到高依次为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。因此，第一次折射后的光由下至上的排列依次为紫、靛、蓝、绿、黄、橙、红。不同的光经过反射后在射出水珠后再一次进行折射，所以出射光变为了由下至上紫、靛、蓝、绿、黄、橙、红的排列，如图2-2所示，这也就是我们在雨后看到的彩虹的样子。
表2-1 不同波长光的折射率及其对应的视场角
太阳光射入不同水滴时会以不同角度入射，在水滴内亦以不同的角度反射。其中以40至42度的反射最为强烈。因此，彩虹常常与我们成42度左右。
图 2-2 不同水滴对太阳光的折射与反射
空气中水滴的大小，决定了彩虹的色彩鲜艳程度和宽窄。空气中的水滴越大，虹就越鲜艳，也越窄；反之，水滴越小，虹色就越淡，也越宽。由于人眼只能看到光谱中的一小段，所以并不是所有太阳光都可以用来组成彩虹。拿太阳举例，事实上它的辐射光谱只有一半正好处于可见光区，也就是我们能看到的部分。
太阳光的其他大部分为红外线，还有极少一部分是紫外线。如果我们能看到所有光波所组成的彩虹，它会比我们熟知的彩虹宽一倍。但是由于光谱中大部分波长的光都在到达地球表面前被过滤掉了，增强阳光的强度也作用不大，所以我们看不到很宽的彩虹。
3.神奇的双彩虹
通常雨后的天空只会出现一道彩虹，但运气好时，我们也可以看到彩虹的头上又会出现一道彩虹，通常这道彩虹的颜色比主虹的淡且颜色的分布相反。我们通常称这条彩虹为“副虹”也就是人们常说的霓。
霓的出现是因为光在水滴中被多反射一次，即光在射入雨滴中发生了“折射-反射-二次反射-折射”，因为光经过了两次反射，原来在上面的红色光又回到了下面，所以霓的颜色分布是下红上紫，如图3-1所示。同时，因为光线经过两次反射，能量有更大的损耗，所以往往霓的颜色比虹的颜色淡。根据图3-1的光路图分析，太阳光经过两次反射后其与地面呈的角度为50°左右，这就是霓往往出现在虹上面的原因。
图3-1 虹(a)和霓(b)的对比
那如果光线在雨滴里进行两次以上的反射，是不是天空会出现两道以上的彩虹呢？事实证明这种情况很少见，因为光在雨滴中传播的路程越长，其能量损失的也就越大，一般光线经过两次反射后，其能量就会小很多，这时的亮度也就没有那么高了！如图3-2，可以看到第二道彩虹远比第一道彩虹颜色淡。
图3-2 双彩虹现象
下图3-3是2011年拍摄的真四重彩虹的第三第四彩虹，其中第一第二彩虹在拍摄者的背面。根据光学原理分析，如果要形成四重彩虹，需要四次反射，此时成像点不在太阳背面，反而靠近太阳，因而极为罕见。
图3-3 纽约上空的4道彩虹
图3-4是2013年俄罗斯拍摄的另一张四重彩虹，左图是一、二重彩虹，右图是三、四重彩虹，注意右图是向着阳光侧拍摄。
图3-4 俄罗斯拍摄的另一张四重彩虹
我们不必为我们很难看到多道彩虹而伤心，因为没有人能看到与你完全相同的彩虹，就像我们每一个人都与众不同一样！
来源：成电研究生科学普及
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