彩虹的形成原理

彩虹的形成原理

为什么彩虹出现的时候一般有两条，并且光带颜色刚好相反？彩虹的形成原理是什么？

答：两条其中一条叫彩虹，另一条叫霓。有时在虹的外侧还能看到第二道虹，光彩比第一道虹稍淡，色序是外紫内红。称为副虹或霓。霓和虹的不同点仅仅大于光线在雨点内产生二次内反射，因此光线通过雨滴后射到我们眼帘时，光弧色带就与虹正好相反。

彩虹，简称虹，一般雨后出现彩虹（一般在早晨或者傍晚出现，很少在中午。夏天向天空喷一口水汽也能容易地生成小彩虹）。

通常说的彩虹一定是红色在外，紫色在内，呈弧形，弧高40～42度。这可以通过几何光学的折射和反射定律，及地球与太阳（别的光源也可以）的关系解释，简单说就是，太阳光线通过大量小球形的水珠时，发生折射和反射后到达人的眼睛，形成了色彩分开的虚像。频率高的光波折射的程度要大于频率低的光波，于是彩虹中红色在外，紫色在内，中间有各色光带。

与彩虹相对的是“霓”，它也叫副虹，位于“虹”的外圈，一般不出现，或者即使出现亮度和鲜艳程度也不及虹。英文中，与霓对应的是“secondary rainbow”，也称二级虹、次级虹，弧高52～54.5度。“霓”的色彩正好与虹相反，即外圈是紫色，内圈是红色。霓的成因也与折射和反射有关，只不过它是二次内反射（double 或 twointernal reflections）的结果（所以亮度减少）。严格说在主虹（即通常的虹）内侧，还有复杂的光学现象，要用到其他其他理论才能解释。据说Carl Boyer写过一本书《虹：从神话到数学》（The RainbowFrom Myth to Mathematics，1959），大概讲述人们认识虹的历史过程。

历史上关于虹有大量描写和论述，好像朱熹就正确地指出过虹的形成与小水珠有关。在近代科学史上，笛卡儿（Rene Descartes，1637）和牛顿都专门研究过虹，有精确的解释。有趣的是，意大利的一位还用现象学的方法研究过虹，他做了许多现象学的实验，重现了几何光学关于虹的几乎全部实验结果。他试图表明，当年哥德的颜色理论也许还有用（那作者我忘记了，从网上能够找到）。

内圈为虹，外圈为霓：

http://www.jal.cc.il.us/~mikolajsawicki/rainbows.htm

虹与霓形成原理图见：

http://www.unidata.ucar.edu/staff/blynds/rnbw7.gif

反射虹的形成原理图见：

http://www.unidata.ucar.edu/staff/blynds/rnbw8.gif

关于月光虹的描述见：

http://www.unidata.ucar.edu/staff/blynds/Mikkelson.html

彩虹是因为阳光射到空中接近圆形的小水滴，造成色散及反射而成。阳光射入水滴时会同时以不同角度入射，在水滴内亦以不同的角度反射。当中以40至42度的反射最为强烈，形成我们所见到的彩虹。形成这种反射时，阳光进入水滴，先折射一次，然后在水滴的背面反射，最后离开水滴时再折射一次。因为水对光有色散的作用，不同波长的光的折射率有所不同，蓝光的折射角度比红光大。由于光在水滴内被反射，所以观察者看见的光谱是倒过来，红光在最上方，其他颜色在下。

其实只要空气中有水滴，而阳光正在观察者的背后以低角度照射，便可能产生可以观察到的彩虹现象。彩虹最常在下午，雨后刚转天晴时出现。这时空气内尘埃少而充满小水滴，天空的一边因为仍有雨云而较暗。而观察者头上或背后已没有云的遮挡而可见阳光，这样彩虹便会较容易被看到。另一个经常可见到彩虹的地方是瀑布附近。在晴朗的天气下背对阳光在空中洒水或喷洒水雾，亦可以人工制造彩虹。

空气里水滴的大小，决定了彩虹的色彩鲜艳程度和宽窄。空气中的水滴大，虹就鲜艳，也比较窄；反之，水滴小，虹色就淡，也比较宽。我们面对着太阳是看不到彩虹的，只有背着太阳才能看到彩虹，所以早晨的彩虹出现在西方，黄昏的彩虹总在东方出现。可我们看不见，只有乘飞机从高空向下看，才能见到。虹的出现与当时天气变化相联系，一般我们从虹出现在天空中的位置可以推测当时将出现晴天或雨天。东方出现虹时，本地是不大容易下雨的，而西方出现虹时，本地下雨的可能性却很大。

彩虹的明显程度，取决于空气中小水滴的大小，小水滴体积越大，形成的彩虹越鲜亮，小水滴体积越小，形成的彩虹就不明显。一般冬天的气温较低，在空中不容易存在小水滴，下雨的机会也少，所以冬天一般不会有彩虹出现。

彩虹其实并非出现在半空中的特定位置。它是观察者看见的一种光学现象，彩虹看起来的所在位置，会随著观察者而改变。当观察者看到彩虹时，它的位置必定是在太阳的相反方向。彩虹的拱以内的中央，其实是被水滴反射，放大了的太阳影像。所以彩虹以内的天空比彩虹以外的要亮。彩虹拱形的正中心位置，刚好是观察者头部阴影的方向，虹的本身则在观察者头部的影子与眼睛一线以上40°至42°的位置。因此当太阳在空中高于42度时，彩虹的位置将在地平线以下而看不见。这亦是为什么彩虹很少在中午出现的原因。

彩虹由一端至另一端，横跨84°。以一般的35mm照相机，需要焦距为19mm以下的广角镜头才可以用单格把整条彩虹拍下。倘若在飞机上，会看见彩虹是原整的圆形而不是拱形，而圆形彩虹的正中心则是飞机行进的方向。

参考资料：http://baike.baidu.com/view/37525.htm#3

晚虹是一种罕见的现象，在月光强烈的晚上可能出现。由于人类视觉在晚间低光线的情况下难以分辨颜色，故此晚虹看起来好像是全白色的

白色彩虹？大家一定没见过吧，今天就带你来领略其风采。我们看到的彩虹一般都是七色的，北极的彩虹与一般的彩虹不一样，是白色的？大自然的鬼斧神工真是让人惊叹不已。
看着下面的图片，感觉白色的彩虹更像是通往某个地方的大门。难道是上诺亚方舟的大门？？
那白色彩虹形成的原因和普通彩虹一样吗？白色的彩虹是因为那天正好是极昼，所以很普通的彩虹不一样，看到这样的美景真是幸福！

海市蜃楼原理

通过课本分析，对光在空气中全反射形成的蜃景现象，似乎都清楚了．但是当看到阅读材料中，两种蜃景的光路示意图，令人感到困惑．海市蜃楼中的景物悬在空中是正立的，沙漠里的蜃景物体是倒立的．同样的现象，差异为什么那么大？这个问题课本分析还显笼统，必须进一步分析．
    海面上的空气层各处折射率不同，但是在单位高度上折射率的差异很小，这就决定了海面上的蜃景发生范围很大．海面上的空气层越低，温度越低，密度越大折射率越大．空气层越高，温度越高，密度越小，折射率越小．同一景物上部附近的空气的折射率，略小于下部附近的空气层的折射率．当景物各处发出的光线射向空气时，都越来越偏离法线方向，进入上层空气的入射角都逐渐增大．当光线的入射角增大到临界角时，就发生全反射现象．但是物体上部发出的光线，在较高空气层发生全反射，物体下部发出的光线，在比上部略低点空气层发生全反射．当空中全反射的光线射到地面，人们逆着光线看去，就会看到远方的景物正立悬在空中。
   
    沙漠附近各处空气的折射率不同，而且在单位高度上折射率的差异略大些．这就决定了沙漠里的蜃景，发生范围相对海面上蜃景要小许多．越接近沙面空气层，温度越高，密度越小，折射率越小．离沙面稍高一点的空气层，温度越低，密度越大，折射率越大．同一景物上下各处空气层的折射率有差异，上处空气层折射率大于下层空气层折射率．当景物上部发出光线射向密度较低的空气中，光线逐渐偏离法线方向，进入下层空气的入射角增大，以至于在观察者附近发生全反射．景物下部空气层虽然比上部折射率小，但比沙面处空气层的折射率大．当景物下部光线射向沙面处空气时，由于光线入射角增大，当光线偏离法线后，在景物附近处的空气层就发生全反射．当观察者逆着光线看去，就会看到远处物体是倒立的，也往往以为前方有一明亮的水面．
    通过分析，我们进一步明确，海市蜃楼和沙漠里的蜃景都是空气中的全反射现象．表面看起来景物的像一次是正立的，一次是倒立的，差异很大，而实际是全反射条件不同造成的．

可是当空气温度在垂直变化的反常，并会导致与通常不同的折射和全反射，这就会产生海市蜃楼的现象。由于空气密度反常的具体情况不同，海市蜃楼出现的型式也不同。

在夏季，白昼海水湿度比较低，特别是有冷水流经过的海面，水温更低，下层空气受水温更低，下层空气受水温影响，较上层空气为冷，出现下冷上暧的反常现象（正常情况是下暧上凉，平均每隔100米高度，气温降低0.5~0.6 左右）。下层空气本来就因气压较高，密度较大，现在再加上气温又较上层为低，密度就显得特别大，因此空气层下密上稀的差别异常显著。

假使在我们的东方地平线下有一艘轮船，一般情况下是看不到它的。如果由于这时空气下密上稀的差异太大了，来自船舶的光线先由密度的气层逐渐折射进入稀的气层，并在上层发生全反射，又折回到下层密的气层中来；经过这样弯曲的线路，最后投入我们的眼中，我们就能看到它的像。由于人的视觉总是感到物像是来自直线方向的，因此我们所看到的轮船映像比实物是抬高了许多，所以叫做上现蜃景。

我国渤海中有个庙岛群岛，在夏季，白昼海水温度较低，空气密度会出现显著地下密上稀的差异，在渤海南岸的蓬莱县（古时又叫登州），常可看到庙岛群岛的幻影。宋朝时候的沈括，在他的名蓍《梦溪笔谈》里就有这样的记载：

“登州海中时有云气，如宫室台观，城堞人物，车马冠盖，历历可睹。”

这就是他在蓬莱所看到的上现蜃景。1933年5月22日上午11点多钟，青岛前海（胶州湾外口）竹岔岛上也曾发现过上现蜃景，一时轰传全市，很多人前往观看。1975年在广东省附近的海面上，曾出现一次延续6小时的上现蜃景。

不但夏季在海面上可以看到上现蜃景，在江面有晨也可看到，例如1934年8月2日在南通附近的江面上就现过。那天酷日当空，天气特别热，午后，突然发现长江上空映现出楼台城廓和树木房屋，全部蜃景长20多里。约半小时后，向东移动，突然消逝。后又出现三山，高耸入云，中间一山，很象香炉；又隔了半小时，才全部消失。

在沙漠里，白天沙石被太阳晒得灼热，接近沙层的气温升高极快。由于空气不善于传热，所以在无风的时候，空气上下层间的热量交换极小，遂使下热上冷的气温垂直差异非常显著，并导致下层空气密度反而比上层小的反常现象。在这种情况下，如果前方有一棵树，它生长在比较湿润的一块地方，这时由树梢倾斜向下投射的光线，因为是由密度大的空气层进入密度小的空气层，会发生折射。折射光线到了贴近地面热而稀的空气层时，就发生全反射，光线又由近地面密度小的气层反射回到上面较密的气层中来。这样，经过一条向下向下凹陷的弯曲光线，把树的影像送到人的眼中，就出现了一棵树的倒影。

由于倒影位于实物的下面，所以又叫下现蜃景。这种倒影很容易给予人们以水边树影的幻觉，以为远处一定是一个湖。凡是曾在沙漠旅行过的人，大都有类似的经历。拍摄影片《登上希夏邦马峰》的一位摄影师，行走在一片广阔的干枯草原上时，也曾看见这样一个下现蜃景，他朝蜃景的方向跑去，想汲水煮饭。等他跑到那里一看，什么水源也没有，才发现是上了蜃景的当。这是因为干枯的草和沙子一样，可以被烈日晒得热浪滚滚，使空气层的密度从下至上逐渐增大，因而产生下现蜃景。

无论哪一种海市蜃楼，只能在无风或风力极微弱的天气条件下出现。当大风一起，引起了上下层空气的搅动混合，上下层空气密度的差异减小了，光线没有什么异常折射和全反射，那么所有的幻景就立刻消逝了。

柏油马路因路面颜色深，夏天在灼热阳光下吸收能力强，同样会在路面上空形成上层的空气冷、密度大，而下层空气热、密度小的分布特征，所以也会形成海市蜃楼。

光的折射.关于海市蜃楼的成因，有的学生提出如下问题：
    1 . 大气在不同高度，密度本来就是不同的，为什么平时看不到海市蜃楼。
    2. 如果真是象课本上所述的成因，空中的海市蜃楼应该与实物在同一方向，距离也不应该相差很多如果我们朝着空中的海市蜃楼方向行走，应该肯定可以到达实物所在处。但实际上并不是这样，实际的海市蜃楼无论你怎样走，都不可能到达实物处。
    3.海市蜃楼为什么只在特定的地方才会出现，如沙漠、海边等。

“海市”是课本上的解释，而“蜃楼”是发生在沙漠中，底层空气密度小，上层空气密度大，光线从光密介质射向光疏介质，折射角大于入射角。随着入射角的增大，折射角也不断增大，直到折射角达到九十度，折射光线消失，这时发生的是全反射。你逆着光线看到像，像跟物体的方向相反，你沿着像的方向当然找不到物体。

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/99cbe51115791711cc7931b765ce0508763275b1.html