“套娃”彩虹是怎樣形成的

唐奧

雨水多的季節(jié)，見到彩虹的機會也就多了。見到一道彩虹并不稀奇，可你見過成對的彩虹，甚至彩虹“套娃”嗎？

什么時候可以看到彩虹

彩虹簡稱虹，是一種常見的光學(xué)現(xiàn)象。組成彩虹的顏色有7種：紅、橙、黃、綠、青、藍、紫。在中國古代，人們對彩虹就已經(jīng)有了初步的認識。北宋科學(xué)家沈括在《夢溪筆談》中引用了孫彥先對彩虹形成的描述：“虹乃雨中日影也，日照雨而有之。”指出彩虹是雨止初晴時的自然現(xiàn)象。

雖然那時人們就認識到，必須要滿足雨和陽光兩個條件，彩虹才會出現(xiàn)，但是對其中的原理并不是很清楚。直到17世紀，牛頓發(fā)現(xiàn)了光的色散，彩虹形成的原理才被大家所知曉：太陽光照射雨滴，由于不同波長的光在雨滴中的折射率不同，會使不同波長的光分開，形成彩虹。

按理說只要下雨、有陽光，就會出現(xiàn)彩虹，但實際并不是每次都能看到彩虹，因為彩虹的出現(xiàn)不僅與天氣有關(guān)，還與觀察角度有關(guān)。我們只有背對著太陽，才能觀察到彩虹。如果面對著太陽，光線穿過水滴發(fā)生的兩次折射和一次反射，會損失掉一部分光。此時太陽光是無損進入眼睛的，相比之下進入眼睛的彩虹光線很弱，信噪比太低，使得視網(wǎng)膜感應(yīng)不到彩虹。所以，當面對太陽時，我們通常是無法觀察到彩虹的。

反之，如果我們背對著太陽，太陽光射入水滴中，在水滴中光線經(jīng)過兩次折射和一次反射，發(fā)生色散，形成彩虹進入人的眼睛。雖然這個過程同樣會損失一部分光，但背景光是太陽光經(jīng)遠處的云層和天空散射回來的光，相對來講比較弱，這時信噪比高，彩虹在視網(wǎng)膜上能夠清晰成像，我們就可以清楚地看到彩虹。

此外，還有其他因素會影響我們所看到的彩虹形狀。平時我們看見的彩虹都是半圓的，但實際上彩虹是一個完整的圓，因為彩虹本來就是太陽經(jīng)過水滴所成的像。

彩虹的位置與反日點有關(guān)。反日點是以觀察點為準，與太陽成180°的點。彩虹則是以反日點為中心的圓環(huán)，通常我們在地平面上觀察彩虹的時候，反日點都在地平線以下，地面遮住了彩虹的下半部分，所以我們只能看見半圓的虹橋。

要想看見完整的彩虹，有兩個辦法。一是提高觀察點的高度，這樣反日點的高度就會升高。比如我們在飛機上有時就能看見完整的圓環(huán)彩虹。同理，站在足夠高的地方，如山頂，也能觀察到完整的圓環(huán)彩虹。二是降低太陽仰角。在傍晚的時候，太陽逐漸下降，接近地平線，這時反日點也在慢慢上升，這樣就能看見大部分的彩虹了。

當太陽的仰角大于42°時，彩虹完全在地平線以下，這時即使天氣很好，剛剛下過雨，觀察者也觀察不到任何彩虹。所以，中午的時候是不可能觀察到彩虹的，一般在上午 9點左右和下午4點左右，太陽光光強足夠，太陽的仰角也合適，這時是觀察彩虹的最佳時機。

雙彩虹與多重彩虹

雙彩虹是多重彩虹的一種，指在原彩虹的外圍出現(xiàn)一道直徑更大的同心彩虹。內(nèi)層的彩虹稱為主虹，顏色較亮，外層的彩虹稱為副虹，顏色較暗。也有人稱內(nèi)層的為虹，外層的為霓，這也是“霓虹”這個詞語的原意，即表示雙彩虹。

那么雙彩虹是怎么產(chǎn)生的呢？上面說到我們能看見彩虹，是因為太陽光線射入水滴中，經(jīng)過了折射——反射——折射，然后進入我們的眼睛，但這只是太陽光線在水滴中傳播的一種方式。如果太陽光在水滴表面某些特殊位置上射入水滴時，能夠滿足光線在水滴中發(fā)生兩次反射和兩次折射，這時就會出現(xiàn)第二種成像途徑——太陽經(jīng)過水滴成像，在水滴中發(fā)生色散，這就形成了第二道彩虹。

細心的觀察者可能會發(fā)現(xiàn)，雙彩虹的顏色順序是相反的。主虹的顏色是紫色在下、紅色在上，副虹則是紅色在下、紫色在上。這與反射的次數(shù)有關(guān)，在介質(zhì)中，紅光的折射率比紫光要小，經(jīng)過色散后，紅色在上，紫色在下。每在界面處經(jīng)過一次反射，顏色的順序就會發(fā)生翻轉(zhuǎn)，形成副虹的反射次數(shù)比主虹要多一次，所以主虹和副虹的顏色順序相反。

此外，副虹的亮度也比主虹弱得多，這是因為光在經(jīng)過水——空氣界面時，折射的同時也會發(fā)生反射，當光折射進入和射出水滴時都有一部分光損失掉了。在水滴里反射時，也會損失掉一部分光。副虹比主虹要多一次反射，損失的能量也更多，所以副虹的亮度不如主虹。

那么，有沒有可能兩條彩虹的亮度相同呢？答案是肯定的。相對于空氣，水滴是光密介質(zhì)，當入射角滿足一定條件時，會發(fā)生全反射，這時光不會損耗。要滿足過程中所有反射都是全反射，條件是十分苛刻的，所以亮度相同的雙彩虹只有在實驗室中才可以觀察到。

也許有人會問，什么時候才能滿足雙彩虹所必須的兩次反射條件呢？其實，只要有彩虹的出現(xiàn)，就一定有雙彩虹。因為太陽光線是以近似平行光的形式照射水滴的，而水滴表面是近似球面的，在水滴表面總會有某些位置的入射光線能夠滿足在水滴中反射兩次。至于為什么我們通常只能看到一道彩虹，主要是與天氣有關(guān)，副虹的亮度比主虹要暗很多，如果天氣不好，是很難看見副虹的。

還能有更高重次，比如三重、四重彩虹嗎？答案是有的，雙重彩虹是光線在水滴中發(fā)生了兩次反射，同理，三重彩虹是光線在水滴中反射了三次，四重彩虹就是反射了四次。由于多次反射，多重彩虹的強度逐級遞減，而且根據(jù)光學(xué)的幾何傳播原理，高階彩虹的成像點不在太陽對立面，反而靠近太陽，因而極為罕見。自1700年以來，只有四五次文字記載的多重彩虹目擊事件。

雖然人眼對光的感知能力比較低，但是現(xiàn)在人們可以通過動態(tài)范圍更大的相機，加上后期處理，捕捉到多重彩虹的奇妙景象。2011年，第一次有人拍攝到了自然界中的四重彩虹，第三重和第四重彩虹位于太陽同側(cè)。

大自然總是在隨機事件中產(chǎn)生必然的結(jié)果。每次雨過天晴彩虹出現(xiàn)時，實際上天空中就暗藏著多重彩虹了，只是我們很難察覺罷了。