彩虹是氣象中一種奇妙的光學(xué)現(xiàn)象。當(dāng)陽(yáng)光照射到半空中的雨點(diǎn)，光線被折射及反射，在天空上形成拱形的七彩光譜。彩虹七彩顏色，從外至內(nèi)分別為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫。

一、彩虹的形成

彩　虹

彩虹是由于陽(yáng)光射到空中接近圓型的小水滴，造成色散及反射而形成。陽(yáng)光射入水滴時(shí)會(huì)同時(shí)以不同角度入射，在水滴內(nèi)亦以不同的角度反射。當(dāng)中以40°～42°的反射最為強(qiáng)烈，由此形成我們所見到的彩虹。造成這種反射時(shí)，陽(yáng)光進(jìn)入水滴，先折射一次，然后在水滴的背面反射，最后離開水滴時(shí)再折射一次。由于水對(duì)光有色散的作用，不同波長(zhǎng)的光的折射率有所不同，藍(lán)光的折射角度比紅光大。因?yàn)楣庠谒蝺?nèi)被反射，所以探測(cè)者看見的光譜是倒過來的，紅光在最上方，其他顏色在下。

實(shí)際上只要空氣中有水滴，而陽(yáng)光正在觀察者的背后以低角度照射，就可能產(chǎn)生可以觀察到的彩虹現(xiàn)象。彩虹最常在下午、雨后剛轉(zhuǎn)天晴時(shí)出現(xiàn)，此時(shí)空氣內(nèi)塵埃少而充滿小水滴，天空的一邊因?yàn)橐廊挥杏暝贫^暗，而觀察者頭上或背后已沒有云的遮擋而可見陽(yáng)光，這樣彩虹便會(huì)較容易被觀察到。另一個(gè)經(jīng)?？梢姷讲屎绲牡胤绞瞧俨几浇?。在晴朗的天氣下背對(duì)陽(yáng)光在空中灑水或噴灑水霧，亦可以人工制造彩虹。

虹的色彩鮮艷程度和寬窄是由空氣里水滴的大小決定的。空氣中的水滴大，虹就鮮艷，也比較窄；反之，水滴小，虹色就淡，也比較寬。我們面對(duì)著太陽(yáng)是看不到彩虹的，只有背著太陽(yáng)才能看到彩虹，所以早晨的彩虹出現(xiàn)在西方，黃昏的彩虹總在東方出現(xiàn)?？晌覀兛床灰?，只有乘飛機(jī)從高空向下看，才能見到。虹的出現(xiàn)與當(dāng)時(shí)天氣變化密切相關(guān)，一般我們從虹出現(xiàn)在天空中的位置可以判斷出當(dāng)時(shí)將出現(xiàn)晴天或雨天。東方出現(xiàn)虹時(shí)，本地一般是不容易下雨的，而西方出現(xiàn)虹時(shí)，本地下雨的可能性卻很大。

空氣中小水滴的大小決定了彩虹的明顯程度，小水滴體積越大，形成的彩虹越鮮亮；小水滴體積越小，形成的彩虹越不明顯。通常冬天的氣溫較低，在空中不容易存在小水滴，下陣雨的機(jī)會(huì)也少，所以冬天一般不會(huì)有彩虹出現(xiàn)。

很多時(shí)候會(huì)見到兩條彩虹同時(shí)出現(xiàn)，在平常的彩虹外邊出現(xiàn)同心，較暗的為副虹（又稱霓）。當(dāng)陽(yáng)光經(jīng)過水滴時(shí)，它會(huì)被折射、反射后再折射出來。在水滴內(nèi)經(jīng)過一次反射的光缐，便形成我們常見的彩虹（主虹）。若光線在水滴內(nèi)進(jìn)行了兩次反射，便會(huì)產(chǎn)生第二道彩虹（霓）。霓的顏色排列次序跟主虹恰巧是相反的。由于每次反射均會(huì)消耗一些光能量，因此霓的光亮度相對(duì)來說比較弱。副虹是陽(yáng)光在水滴中經(jīng)兩次反射而成。兩次反射最強(qiáng)烈的反射角出現(xiàn)在50°～53°，所以副虹位置在主虹之外。由于有兩次的反射，副虹的顏色次序跟主虹反轉(zhuǎn)，藍(lán)色為外側(cè)，紅色為內(nèi)側(cè)。副虹其實(shí)一定跟隨主虹存在，只是因?yàn)樗墓饩€強(qiáng)度較低，所以有時(shí)不被肉眼觀察到而已。1307年時(shí)，歐洲，已有人提出彩虹是由水滴對(duì)陽(yáng)光的折射及反射而形成的。笛卡爾在1637年發(fā)現(xiàn)水滴的大小不會(huì)影響光線的折射，他以玻璃球注入水來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出水對(duì)光的折射指數(shù)，用數(shù)學(xué)證明彩虹的主虹是水點(diǎn)內(nèi)的反射造成，而副虹則是兩次反射形成的。他確切地計(jì)算出彩虹的角度，但未能闡明彩虹的七彩顏色。后來牛頓以玻璃棱鏡展示把太陽(yáng)光散射成彩色之后，關(guān)于彩虹形成的光學(xué)原理全部被發(fā)現(xiàn)。

彩虹其實(shí)并非出現(xiàn)在半空中的特定位置，它是觀察者看見的一種光學(xué)現(xiàn)象，彩虹看起來的所在位置，會(huì)隨著觀察者而變化。當(dāng)觀察者看到彩虹時(shí)，它的位置一定是在太陽(yáng)的相反方向。彩虹的拱以內(nèi)的中央，其實(shí)是被水滴反射，放大了的太陽(yáng)影像，所以彩虹以內(nèi)的天空比彩虹以外的要明亮。彩虹拱形的正中心位置，恰巧是觀察者頭部影子的方向，虹的本身則在觀察者頭部的影子與眼睛一線以上40°～42°的位置。因此當(dāng)太陽(yáng)在空中高于42°時(shí)，彩虹的位置將在地平線以下而不可見。這同時(shí)也是為什么彩虹很少在中午出現(xiàn)的原因。

彩虹由一端至另一端，橫跨84°。以一般的35mm照相機(jī)，需要焦距為19mm以下的廣角鏡頭才可以用單格把整條彩虹拍下。如果在飛機(jī)上，會(huì)看見彩虹會(huì)是完整的圓形而不是拱形，而圓形彩虹的正中心則是飛機(jī)行進(jìn)的方向。

晚虹是一種難得一見的現(xiàn)象，在月光強(qiáng)烈的晚上可能出現(xiàn)。由于人類視覺在晚間低光線的情況下很難分辨顏色，因此晚虹看起來好像是全白色。

二、彩虹為什么總是彎曲的

光的彎曲程度取決于光的波長(zhǎng)，實(shí)際上如果條件合適的話，可以看到整圈圓形的彩虹。彩虹的形成是太陽(yáng)光射向空中的水珠經(jīng)過折射→反射→折射后射向我們的眼睛所形成。不同顏色的太陽(yáng)光束經(jīng)過上述過程形成彩虹的光束與以前光束的偏折角約180°-42°=138°，即若太陽(yáng)光與地面水平，則觀看彩虹的仰角約為42°。

假想你看著東邊的彩虹，太陽(yáng)在從背后的西邊落下。白色的陽(yáng)光（彩虹中所有顏色的組合）穿越了大氣，向東穿過了你的頭頂，碰到了從暴風(fēng)雨落下的水滴。當(dāng)一道光束碰到了水滴，會(huì)有兩種原因：一是光可能直接穿透過去，或者更有趣的是，它可能碰到水滴的前緣，在進(jìn)入水滴內(nèi)部時(shí)發(fā)生彎曲，接著從水滴后端反射回來，再?gòu)乃吻岸穗x開，往我們這里折射出來，這就是形成彩虹的光。

光穿越水滴時(shí)彎曲的程度，視光的波長(zhǎng)（即顏色）而定——紅色光的彎曲度最大，橙色光與黃色光次之，依此類推，紫色光是彎曲最少的。每種顏色各有特定的彎曲角度，陽(yáng)光中的紅色光，折射的角度是42°，藍(lán)色光的折射角度只有40°，所以每種顏色在天空中出現(xiàn)的位置各不相同。

若你用一條假想線，連接你的后腦勺和太陽(yáng)，那么與這條線呈42°夾角的地方，即這紅色所在的位置。這些不同的位置勾勒出一個(gè)弧，既然藍(lán)色與假想線只呈40°夾角，所以彩虹上的藍(lán)弧總是在紅色的下面。

彩虹之所以為弧型這當(dāng)然與其形成有著不可分割的關(guān)系，同樣也與地球的形狀有很大的聯(lián)系，由于地球表面為一曲面而且還被厚厚的大氣所覆蓋，在雨后空氣中的水含量比平時(shí)高，當(dāng)陽(yáng)光射入空氣中的小水滴形成了折射，同時(shí)由于地球表面的大氣層為一弧面，從而使得陽(yáng)光在表面折射形成了我們所見到的弧形彩虹！