彩虹形成的秘密

藍(lán)思追

傍晚，一場(chǎng)傾盆大雨過(guò)后，天空放晴，一道彩虹懸于天邊，絢爛而神秘。早在幾千年前，古人便注意到了這美麗的自然奇觀，在他們眼中，彩虹是神跡，他們將彩虹融入了神話中。

北歐神話中，彩虹是連接神域與人間的橋梁，由光之神海姆達(dá)爾守衛(wèi)著；中國(guó)古代神話中，彩虹是女媧補(bǔ)天所用五彩石發(fā)出的光芒；印度神話中，彩虹是雷電神帝釋天的弓；《圣經(jīng)》中，彩虹是上帝與諾亞約定不再降洪水于人間的記號(hào)。

而如今，我們知道，那弧形、多彩的彩虹不過(guò)是光與空氣中小水珠碰撞后的結(jié)果。但陽(yáng)光和水滴是如何形成彩虹的呢？最早用科學(xué)解釋彩虹的是古希臘哲人亞里士多德。

彩虹是弧形的

公元前300年，仰望彩虹的亞里士多德不禁思索，為什么彩虹都是拱橋般的形狀。他認(rèn)為，云上有一面面由眾多小水滴組成的鏡子，將陽(yáng)光反射回來(lái)，便能形成彩虹。陽(yáng)光照射在小水珠后反射的角度并不是隨意的，由于太陽(yáng)光線是平行的，在小水滴中，它們將會(huì)以同一角度反射。如果你站在太陽(yáng)與這些小水滴之間，背對(duì)太陽(yáng)，面朝水滴，一些水滴反射的光線恰好能夠進(jìn)入你的眼睛，那么在你看來(lái)，這些水滴所在的天空會(huì)比其他地方稍亮，這些稍亮的地方連在一起便是你所看到的彩虹。亞里士多德是個(gè)幾何學(xué)家，他發(fā)現(xiàn)，水滴反射的光線是朝向四面八方的，但進(jìn)入你眼睛的水滴反射光線有固定的角度，以你的眼睛為頂點(diǎn)，將所有經(jīng)水滴反射進(jìn)入眼睛的光線聚集起來(lái)，就形成了一個(gè)圓錐體，圓錐體的底面圓便是彩虹，

那么，為什么我們所看到的彩虹不是一整個(gè)圓而是部分弧形呢？亞里士多德發(fā)現(xiàn)，彩虹的位置與觀察者的眼睛、太陽(yáng)的位置有關(guān)系。圓錐體底面圓的圓心是頂點(diǎn)在底面的投影，而這一點(diǎn)剛好在太陽(yáng)與你的眼睛連線的延長(zhǎng)線上。這意味著太陽(yáng)越高，圓心越往下，越大部分的彩虹隱藏在地平線以下，這就是為什么我們平時(shí)看到的彩虹是弧形的，因?yàn)樗皇遣屎绲囊徊糠帧Ｐ袢諙|升或是日薄西山時(shí)，陽(yáng)光近乎水平，圓心上移，這時(shí)候我們能看到大部分的彩虹；而中午，太陽(yáng)幾乎位于你的頭頂，圓心幾乎就在你的腳下，因此中午一般看不到彩虹。若你想看到整個(gè)彩虹，坐上飛機(jī)飛得足夠高或是站在高高的山頂上，說(shuō)不定能有機(jī)會(huì)看到。

另外，傳說(shuō)彩虹之下埋藏著黃金，如果你朝著彩虹走去，想將黃金挖掘出來(lái)，大概你窮盡一生，也看不到這些傳說(shuō)中的黃金。因?yàn)椋屎绲膱A心永遠(yuǎn)位于太陽(yáng)與你的眼睛連線的延長(zhǎng)線上，你一移動(dòng)，圓心也隨之移動(dòng)，彩虹也在移動(dòng)，你永遠(yuǎn)也無(wú)法走到彩虹之下。并且，由于彩虹的位置與太陽(yáng)的位置、觀察者的眼睛有關(guān)，你眼中的彩虹與別人眼中的彩虹總存在細(xì)微的差別，是不同的水滴反射的，所以每個(gè)人所看到的的彩虹其實(shí)都是獨(dú)一無(wú)二的。

穿過(guò)小水滴的光

不過(guò)，亞里士多德忽略了光的折射現(xiàn)象，沒(méi)有解釋彩虹為什么有多重顏色，也沒(méi)有計(jì)算出水滴的反射角度。繼續(xù)這項(xiàng)工作的是法國(guó)物理學(xué)家勒內(nèi)·笛卡爾。笛卡爾研究了光線在小水滴中的路徑。

他發(fā)現(xiàn)，光在小水滴中并非只有反射，而是折射反射并存。其中，只有直射入水滴球心的入射光線與反射光線完全重合，而其他沒(méi)有直射球心的光線，在進(jìn)入水滴時(shí)都發(fā)生了折射：接觸水滴的內(nèi)壁時(shí)發(fā)生反射，離開(kāi)水滴再次進(jìn)入空氣中時(shí)再次發(fā)生折射。笛卡爾經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在同一側(cè)用光束照射水滴，光束經(jīng)過(guò)折射、反射、折射后，新光束與入射光束形成了大約42°的夾角。當(dāng)然，水滴是一個(gè)球體，因而新光束會(huì)形成一個(gè)頂角為42°的錐體。

此前，英國(guó)物理學(xué)家艾薩克·牛頓發(fā)現(xiàn)光的色散現(xiàn)象，通過(guò)三棱鏡，可以發(fā)現(xiàn)光被分成了不同顏色的光，不同顏色的光偏折程度不同，其中紅光偏折程度最小，紫光偏折程度最大。笛卡爾發(fā)現(xiàn)天空中的小水滴與三棱鏡有著同樣的效果，不同顏色的光在小水滴中的折射角、反射角度不同，因此在經(jīng)過(guò)小水滴后，各種顏色的光被分離開(kāi)來(lái)，形成了顏色順序固定的多彩彩虹，紅光由于偏折程度小，位于虹的最外層，而紫光由于偏折程度大，位于虹的最內(nèi)層，其他顏色的光同樣會(huì)因不同的偏折程度而最終以一定的順序排布。

根據(jù)笛卡爾的模型和牛頓的理論，人們了解了為什么彩虹是多彩的以及為什么彩虹的顏色是固定的。但是有時(shí)候，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，在彩虹的上方，還有一道更大的彩虹，這道彩虹的顏色順序卻與下方的彩虹顏色順序恰好相反，紫色在最外圈，紅色在最內(nèi)圈。這道更大的彩虹就是霓虹中的霓。

叫做霓的彩虹

上文說(shuō)到，光線進(jìn)入小水滴時(shí)，發(fā)生了折射、反射、折射三個(gè)過(guò)程，其實(shí)，在發(fā)生第二次折射時(shí)，光線再次接觸小水滴內(nèi)壁，還會(huì)發(fā)生一次反射，這次反射的光線從水滴進(jìn)入空氣時(shí)會(huì)再一次折射，最終形成霓。總結(jié)一下，形成霓的光線一共經(jīng)過(guò)了兩次折射和兩次反射，順序是折射、反射、反射、折射。

由于折射程度的不同，經(jīng)過(guò)第二次反射后再折射的光，與第一次反射后直接折射出來(lái)的光顏色順序恰好相反，所以我們看到的霓的顏色順序最外層是紫色的，而最內(nèi)層是紅色的。笛卡爾經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，形成霓的光線與入射光形成了大約51°的夾角，也就是說(shuō)，第二次反射再折射的光線形成了一個(gè)更大的光錐，因此我們會(huì)發(fā)現(xiàn)霓位于虹的上方，比虹更大。另外，光線的每一次反射都會(huì)損失部分能量，因此經(jīng)過(guò)兩次反射后形成的霓比之虹較為暗淡。其中，虹也被稱為主虹，霓則被稱為副虹。

說(shuō)到這兒，你也許會(huì)想，如果在虹形成的過(guò)程中，光線在第二次折射時(shí)碰到小水滴發(fā)生反射，進(jìn)而形成霓，那么會(huì)不會(huì)在形成霓的過(guò)程中，也會(huì)發(fā)生同樣的情況，光線發(fā)生第三次、第四次反射，從而得到第二道、第三道副虹呢？答案是肯定的，但在自然界中，我們最多只能看到霓虹并存的現(xiàn)象，因?yàn)樽匀还獾哪芰坎蛔阋跃S持它經(jīng)過(guò)多次反射后依然能被我們觀察到，更多的副虹需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段獲得。

仰望霓虹，你會(huì)發(fā)現(xiàn)二者之間的區(qū)域相對(duì)灰暗，這個(gè)區(qū)域被稱為“亞歷山大帶”，它的形成是經(jīng)過(guò)小水滴反射的光線幾乎集中于42°以下以及51°以上，在42°到51°的范圍內(nèi)，幾乎沒(méi)有光線，這一部分就比其他區(qū)域暗淡許多。

歷經(jīng)幾千年，人們探索彩虹的腳步仍未歇息，直到現(xiàn)在，彩虹還藏著許多不為人知的小秘密，比如，為什么主虹下方會(huì)出現(xiàn)一條很淡的弧形，解釋這個(gè)現(xiàn)象需要考慮光的波動(dòng)性。過(guò)去、現(xiàn)在，直到未來(lái)科學(xué)家們?nèi)詴?huì)孜孜不倦地探索彩虹的秘密。

不一樣的彩虹

我們所見(jiàn)的彩虹通常是雨后的彩虹，但其實(shí)只要有足夠的光線、小水滴，適當(dāng)?shù)挠^察位置，無(wú)雨也能見(jiàn)彩虹。下面我們就來(lái)看看幾種不一樣的彩虹。

月虹

月虹，顧名思義，當(dāng)然就是折射月光所形成的彩虹。在月色迷人的夜晚，空氣中有足量的小水滴，便能夠形成月虹。但由于月光比較朦朧，月虹也是若隱若現(xiàn)的，而我們的夜視能力較弱，所以看見(jiàn)月虹十分難得。其實(shí)月虹不一定出現(xiàn)在夜晚，只不過(guò)在白天，我們很難看到“猶抱琵琶半遮面”的月虹。

月虹通常出現(xiàn)在月亮反方向的天空。日出前，月亮在西方，月虹便會(huì)出現(xiàn)在東方；日落后，月亮在東方，月虹便會(huì)在西方。目前全世界有兩處著名的月虹景點(diǎn)，一處是位于美國(guó)肯塔基州的坎博蘭瀑布；另一處是非洲桑比亞共和國(guó)和津巴布韋之間的維多利亞瀑布。如果想看到較清晰的月虹，不如前往這兩處觀景勝地。

霧虹

霧虹的形成與彩虹類似，是陽(yáng)光經(jīng)由小水滴反射和折射后形成的，形狀與彩虹一樣，都是弧形，只不過(guò)霧虹是白色的，它被稱為“白色的彩虹”。

霧虹之所以為白色，是因?yàn)樾纬伸F虹的小水滴非常小，直徑小于0.05毫米，無(wú)法像形成彩虹的小水滴一樣起到類似于三棱鏡的散射光的作用。霧虹的觀測(cè)方向和彩虹一致，即背對(duì)太陽(yáng)，面朝霧氣。

瀑布彩虹

飛流直下的瀑布遇上陽(yáng)光，也能夠形成彩虹，被稱為“瀑布彩虹”。瀑布彩虹的形成原理與彩虹別無(wú)二致。

如果你站在瀑布頂端，俯瞰整個(gè)瀑布，就能夠看見(jiàn)一個(gè)完整圓形彩虹。在世界上許多地方，都能看到瀑布彩虹，例如北美的尼亞加拉大瀑布、我國(guó)貴州的黃果樹(shù)瀑布等。

自制彩虹

在生活中，我們也能夠自制彩虹。下面提供兩種簡(jiǎn)單易行的辦法。

第一種，將一個(gè)裝滿水的玻璃杯放在桌子上，陽(yáng)光透過(guò)玻璃窗能夠照在桌子上。其次，將一張紙，最好是白紙放在地上，使透過(guò)玻璃杯的陽(yáng)光能夠照在紙上。然后，往玻璃窗上噴點(diǎn)熱水，再調(diào)整玻璃杯和紙的位置，直至看到彩虹。

第二種，水管法。天氣晴朗時(shí)，打開(kāi)水龍頭，讓水管里注滿水噴出，接著用手指輕輕堵住管口，制造霧氣，將水管對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)噴射，便可看到彩虹。

其實(shí)，自制彩虹最簡(jiǎn)單的一種辦法是，在陽(yáng)光燦爛的時(shí)候，含一口水，背對(duì)著太陽(yáng)，用力噴出，便可見(jiàn)到彩虹了。