彩虹形成的光學(xué)原理

彩虹是因為陽光射到空中接近圓型的小水滴，造成色散及反射而成。陽光射入水滴時會同時以不同角度入射，在水滴內(nèi)亦以不同的角度反射。當(dāng)中以40至42度的反射最為強烈，造成我們所見到的彩虹。造成這種反射時，陽光進入水滴，先折射一次，然后在水滴的背面反射，最后離開水滴時再折射一次。因為水對光有色散的作用，不同波長的光的折射率有所不同，藍(lán)光的折射角度比紅光大。由于光在水滴內(nèi)被反射，所以觀察者看見的光譜是倒過來，紅光在最上方，其它顏色在下。

其實只要空氣中有水滴，而陽光正在觀察者的背后以低角度照射，便可能產(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)天晴時出現(xiàn)。這時空氣內(nèi)塵埃少而充滿小水滴，天空的一邊因為仍有雨云而較暗。而觀察者頭上或背后已沒有云的遮擋而可見陽光，這樣彩虹便會較容易被看到。另一個經(jīng)常可見到彩虹的地方是瀑布附近。在晴朗的天氣下背對陽光在空中灑水或噴灑水霧，亦可以人工制造彩虹。

空氣里水滴的大小，決定了虹的色彩鮮艷程度和寬窄。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。我們面對著太陽是看不到彩虹的，只有背著太陽才能看到彩虹，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)。可我們看不見，只有乘飛機從高空向下看，才能見到。虹的出現(xiàn)與當(dāng)時天氣變化相聯(lián)系，一般我們從虹出現(xiàn)在天空中的位置可以推測當(dāng)時將出現(xiàn)晴天或雨天。東方出現(xiàn)虹時，本地是不大容易下雨的，而西方出現(xiàn)虹時，本地下雨的可能性卻很大。

彩虹的明顯程度，取決于空氣中小水滴的大小，小水滴體積越大，形成的彩虹越鮮亮，小水滴體積越小，形成的彩虹就不明顯。一般冬天的氣溫較低，在空中不容易存在小水滴，下陣雨的機會也少，所以冬天一般不會有彩虹出現(xiàn)。

彩虹其實并非出現(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，會隨著觀察者而改變。當(dāng)觀察者看到彩虹時，它的位置必定是在太陽的相反方向。彩虹的拱以內(nèi)的中央，其實是被水滴反射，放大了的太陽影像。所以彩虹以內(nèi)的天空比彩虹以外的要亮。彩虹拱形的正中心位置，剛好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°至42°的位置。因此當(dāng)太陽在空中高于42度時，彩虹的位置將在地平線以下而不可見。這亦是為甚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，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。倘若在飛機上，會看見彩虹是原整的圓形而不是拱形，而圓形彩虹的正中心則是飛機行進的方向。

晚虹是一種罕見的現(xiàn)象，在月光強烈的晚上可能出現(xiàn)。由于人類視覺在晚間低光線的情況下難以分辦顏色，故此晚虹看起來好像是全白色。

雙道彩虹：外圈為霓，內(nèi)圈為虹

很多時候會見到兩條彩虹同時出現(xiàn)，在平常的彩虹外邊出現(xiàn)同心，但較暗的副虹(又稱霓)。副虹是陽光在水滴中經(jīng)兩次反射而成。當(dāng)陽光經(jīng)過水滴時，它會被折射、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)進行了兩次反射，便會產(chǎn)生第二道彩虹（霓）。霓的顏色排列次序跟主虹是相反的。由于每次反射均會損失一些光能量，因此霓的光亮度亦較弱。兩次反射最強烈的反射角出現(xiàn)在50°至53°，所以副虹位置在主虹之外。因為有兩次的反射，副虹的顏色次序跟主虹反轉(zhuǎn)，外側(cè)為藍(lán)色，內(nèi)側(cè)為紅色。副虹其實一定跟隨主虹存在，只是因為它的光線強度較低，所以有時不被肉眼察覺而已。蘇格蘭上空的雙重彩虹1307年時歐洲已有人提出彩虹是由水滴對陽光的折射及反射而造成。笛卡爾在1637年發(fā)現(xiàn)水滴的大小不會影響光線的折射。他以玻璃球注入水來進行實驗，得出水對光的折射指數(shù)，用數(shù)學(xué)證明彩虹的主虹是水點內(nèi)的反射造成，而副虹則是兩次反射造成。他準(zhǔn)確計算出彩虹的角度，但未能解釋彩虹的七彩顏色。后來牛頓以玻璃菱鏡展示把太陽光散射成彩色之后，關(guān)于彩虹的形成的光學(xué)原理全部被發(fā)現(xiàn)。

原因一：光的波長決定光的彎曲程度

彩虹是一種光學(xué)現(xiàn)象

事實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。不同顏色的太陽光束經(jīng)過上述過程形成彩虹的光束與原來光束的偏折角約180-42=138度。也就是說，若太陽光與地面水平，則觀看彩虹的仰角約為42度。

想象你看著東邊的彩虹，太陽在從背后的西邊落下。白色的陽光（彩虹中所有顏色的組合）穿越了大氣，向東通過了你的頭頂，碰到了從暴風(fēng)雨落下的水滴。當(dāng)一道光束碰到了水滴，會有兩種可能：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，在進入時水滴內(nèi)部產(chǎn)生彎曲，接著從水滴后端反射回來，再從水滴前端離開，往我們這里折射出來。這就是形成彩虹的光。

光穿越水滴時彎曲的程度，端視光的波長（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，彎曲最少的是紫色光。1每種顏色各有特定的彎曲角度，陽光中的紅色光，折射的角度是42度，藍(lán)色光的折射角度只有40度，所以每種顏色在天空中出現(xiàn)的位置都不同。

若你用一條假想線，連接你的后腦勺和太陽，那么與這條線呈42度夾角的地方，就是紅色所在的位置。這些不同的位置勾勒出一個弧。既然藍(lán)色與假想線只呈40度夾角，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，同樣這也與地球的形狀有很大的關(guān)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高，當(dāng)陽光照射入空氣中的小水滴形成了折射，同時由于地球表面的大氣層為一弧面從而導(dǎo)致了陽光在表面折射形成了我們所見到的弧形彩虹！

原因二：與地球的形狀有很大的關(guān)系
由于地球表面是一個曲面并且被厚厚的大氣所覆蓋，雨后空氣中的水含量比平時高，當(dāng)陽光照射入空氣中的小水滴時就形成了折射。同時由于地球表面的大氣層為一弧面從而導(dǎo)致了陽光在表面折射形成了我們所見到的弧形彩虹！

《圣經(jīng)》 中神曉諭挪亞對他的兒子說：
我與你們和你們的后裔立約，并與你們這里的一切活物，就是飛鳥，牲畜，走獸，凡從方舟里出來的活物立約。

我與你們立約，凡有血肉的，不再被洪水滅絕，也不再有洪水毀壞地了。

神說，我與你們并你們這里的各樣活物所立的永約，是有記號的。

我把虹放在云彩中，這就可作我與地立約的記號了。

我使云彩蓋地的時候，必有虹現(xiàn)在云彩中，我便記念我與你們和各樣有血肉的活物所立的約，水就再不泛濫，毀壞一切有血肉的物了。

虹必現(xiàn)在云彩中，我看見，就要記念我與地上各樣有血肉的活物所立的永約。

神對挪亞說，這就是我與地上一切有血肉之物立約的記號了。