虹與霓的形成原理

1、虹與霓的形成原理 虹是由于太陽(yáng)光線被大氣中的水滴反射和折射而形成 的一種自然現(xiàn)象。雨過(guò)天晴，空氣中存在大量的水分，塵粒 減少，能見(jiàn)度提高， 這時(shí)太陽(yáng)的對(duì)面天空中將出現(xiàn)彩色圓弧， 按一定順序排列紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫七種顏色。這 種圓弧有時(shí)能見(jiàn)到兩個(gè)，紅色在外、紫色在內(nèi)，顏色鮮艷的 叫“虹”，紅色在內(nèi)、紫色在外，顏色較淡的叫“霓”。光 在球形介質(zhì)內(nèi)傳播的反射、折射所引起的色散現(xiàn)象，接著討 論霓虹的分布與太陽(yáng)在天空中位置的關(guān)系。 虹霓是怎么回事呢？從實(shí)驗(yàn)測(cè)量的角度來(lái)說(shuō)， 虹的仰角是 42 度，而霓則是 50 度；從唯象觀察的角度講，太陽(yáng)光在水珠 中經(jīng)過(guò)一次全反射的是虹，兩次的是霓。 可見(jiàn)光分為

2、紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫。可見(jiàn)光是電磁波， 而且只是電磁波連續(xù)光譜中極小的一部分。 太陽(yáng)光是各種可見(jiàn)光的混合，呈白色，通過(guò)棱鏡、水等的反 射折射時(shí)，出現(xiàn)色散現(xiàn)象。虹和霓就是太陽(yáng)光通過(guò)大量小球 形水珠時(shí)，通過(guò)折射、反射后的色散現(xiàn)象。虹( rainbow )，即彩虹，是紅色在外， 紫色在內(nèi)。霓( secondary rainbow )，也稱二級(jí)虹。霓的色彩正好與虹相反，即外圈是 紫色，內(nèi)圈是紅色。太陽(yáng)光在水珠中經(jīng)過(guò)一次全反射的是虹，兩次的是霓。霓和 虹的不同點(diǎn)僅僅在于光線在雨點(diǎn)內(nèi)產(chǎn)生二次內(nèi)反射，因此光線通過(guò)雨滴后射到我們眼簾時(shí)，光弧色帶就與虹正好相反 1、虹的形成：一束平行的太陽(yáng)光沿圖中方向射入

3、空中的一小水滴時(shí)，由于 折射而進(jìn)入到水滴中且同時(shí)發(fā)生色散，然后經(jīng)過(guò)一次反射再 從水滴射出。由于紅光在水珠中的折射率最小使其出射光線 與入射光線成 42 度，而紫光在水珠中的折射率最大使其折 射光線與入射光線成 40 度。人眼按直線追溯射入眼中的光線射來(lái)的方向看到偏折較小 的紅光出現(xiàn)在“虹”的最外側(cè)，而折射率最大的紫光出現(xiàn)在 “虹”的內(nèi)側(cè)。2、霓的形成： 當(dāng)一束太陽(yáng)光射入一小水滴發(fā)生折射而在水滴內(nèi)發(fā)生兩次 全反射時(shí)，折射率小的紅光的出射光線方向與入射方向成 50.6 度。折射率大的紫光的出射方向與入射方向成 53.6 度。 人眼根據(jù)視覺(jué)的直線特性而將觀察到射出水滴后的光線在 空中形成外側(cè)成紫色而

4、內(nèi)側(cè)成紅色的彩色分布。由于太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)水滴后發(fā)生兩次反射的情況較發(fā)生一次反 射的光能量損失很多，因而“霓”的亮度比“虹”的亮度暗 得多，故又將其稱作副虹，而且副虹位于主虹之上，副虹下 面才是主虹。主虹中顏色的分布為外紅內(nèi)紫，副虹的顏色分 布為外紫內(nèi)紅。人們通常觀察到天空中的彩虹主要是主虹而 副虹因?yàn)樘狄话悴蝗菀妆蝗藗冇^察到。 太陽(yáng)光在水珠內(nèi)經(jīng)過(guò)三次、四次反射也可以形成彩帶而被稱 為第三虹、第四虹等，但它們的色彩更暗淡，故一般很難看 得到。以空氣中的微小水滴作為反射介質(zhì)為例：虹：光線在入射水 滴的界面時(shí)，產(chǎn)生色散；再經(jīng)過(guò)水滴與空氣的界面時(shí)色散的 光線分別各發(fā)生一次全反射（反射點(diǎn)的位置有細(xì)微差異，

5、但 都是連續(xù)的） ，射出時(shí)（與原光線的方向向量夾角為鈍角） 再經(jīng)過(guò)水滴界面，再次色散。霓：與虹相似，但全反射了兩 次。由于全反射吸收了部分光的能量，所以看起來(lái)要比虹暗 淡一些，色帶方向也與虹相反。彩虹是因?yàn)殛?yáng)光射到空中接近圓形的小水滴，造成色散及反 射而成。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 至 42 度的反射最為強(qiáng)烈， 形成我們所見(jiàn)到的彩虹。形成這種反射時(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(kāi)水滴時(shí)再折 射一次。因?yàn)樗畬?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。由于光在水滴內(nèi)被反 射，所以觀察者看

6、見(jiàn)的光譜是倒過(guò)來(lái)，紅光在最上方，其他 顏色在下。其實(shí)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，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(shí)出現(xiàn)。這時(shí)空氣內(nèi)塵埃少而充 滿小水滴，天空的一邊因?yàn)槿杂杏暝贫^暗。而觀察者頭上 或背后已沒(méi)有云的遮擋而可見(jiàn)陽(yáng)光，這樣彩虹便會(huì)較容易被 看到。另一個(gè)經(jīng)?？梢?jiàn)到彩虹的地方是瀑布附近。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?？諝饫锼蔚拇笮。瑳Q定了彩虹的色彩鮮艷程度和寬窄?？?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

7、，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?jiàn)，只有乘飛機(jī)從高空向下 看，才能見(jiàn)到。虹的出現(xiàn)與當(dāng)時(shí)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(cè)當(dāng)時(shí)將出現(xiàn)晴天或雨天。 東方出現(xiàn)虹時(shí)，本地是不大容易下雨的，而西方出現(xiàn)虹時(shí)， 本地下雨的可能性卻很大。冬天的氣溫較低，在空中不容易 存在小水滴，下雨的機(jī)會(huì)也少，所以冬天一般不會(huì)有彩虹出 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(jiàn)的一種光學(xué)現(xiàn)象，彩虹看起來(lái)的所在位置，會(huì)隨著觀察者 而改變。當(dāng)觀察者看到彩虹時(shí)，它的位置必定是在太陽(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)

8、的天空比彩虹以外的要亮。彩虹 拱形的正中心位置，剛好是觀察者頭部陰影的方向，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(yáng)在空中高于 42 度時(shí)，彩虹的位置將在地平 線以下而看不見(jiàn)。這亦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。 在飛機(jī)上， 會(huì)看見(jiàn)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(jī)行進(jìn)的方向。晚虹是一種罕見(jiàn) 的現(xiàn)象，在月光強(qiáng)烈的晚上可能出現(xiàn)。由于人類視覺(jué)在晚間 低光線的情況下難以分辨顏色，故此晚虹看起

9、來(lái)好像是全白 色的。雙彩虹，有時(shí)候會(huì)見(jiàn)到兩條彩虹同時(shí)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(yáng)光在水滴中 經(jīng)兩次反射而成。當(dāng)陽(yáng)光經(jīng)過(guò)水滴時(shí)，它會(huì)被折射、反射后 再折射出來(lái)。在水滴內(nèi)經(jīng)過(guò)一次反射的光，便形成我們常見(jiàn) 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是相反的。 由于每次反射均會(huì)損失一些光能量，因此霓的光亮度亦較 弱。兩次反射最強(qiáng)烈的反射角出現(xiàn)在 50°至 53°，所以副 虹位置在主虹之外。因?yàn)橛袃纱蔚姆瓷?，副虹的顏色次序?主虹反轉(zhuǎn)，外側(cè)為藍(lán)色，內(nèi)側(cè)為紅色。副虹其實(shí)一定跟隨主 虹存

10、在，只是因?yàn)樗墓饩€強(qiáng)度較低，所以有時(shí)不被肉眼察 覺(jué)而已。蘇格蘭上空的雙重彩虹 1307 年時(shí)歐洲已有人提出 彩虹是由水滴對(duì)陽(yáng)光的折射及反射而造成。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(lái)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造成。他準(zhǔn)確 計(jì)算出彩虹的角度，但未能解釋彩虹的七彩顏色。后來(lái)牛頓 以玻璃菱鏡展示把太陽(yáng)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)。彩虹為什么總是彎曲的，原因一：光的波長(zhǎng)決定光的彎曲程 度。事實(shí)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)

11、過(guò)折射T反射T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(guò) 上述過(guò)程形成彩虹的光束與原來(lái)光束的偏折角約180 - 42 =138 度。也就是說(shuō)，若太陽(yáng)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(yáng)在從背后的西 邊落下。白光穿越了大氣，向東通過(guò)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)有兩種可能： 一是光可能直接穿透過(guò)去，或者更有趣的是，它可能碰到水 滴的前緣，在進(jìn)入時(shí)水滴內(nèi)部產(chǎn)生彎曲，接著從水滴后端反 射回來(lái)，再?gòu)乃吻岸穗x開(kāi)，往我們這里折射出來(lái)。這就是 形成彩虹的光。 光穿越水滴時(shí)彎曲的程度， 端視光的波長(zhǎng) （即 顏色）而定一一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。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 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(yáng)，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(gè)弧。既然藍(lán)色與假想線只呈 40 度夾角， 所以彩