本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。
彩虹是一種比較常見的自然現象，在早晨和傍晚，雨後陽光中就有可能出現。在9月20日清晨（即今晨…）廣州天空中就出現了壯觀的雙彩虹。
這還不算特別稀奇的，因為雙彩虹其實還是挺常見的，而這次網友還拍到了圓形的雙彩虹！
這估計是99.99%以上同學現實中從來沒有見過的了吧？你以為這就完了嗎？沒完！如果圓形的雙彩虹你從前還能在網上看見過，那麼下面這個圖在今天以前你一定沒看見過——與中國第一高塔，廣州地標廣州塔小蠻腰完美相切的圓形雙彩虹！
這樣的圓形彩虹你應該見不到第二張了（^_^）。看不清？來一張局部放大的吧：
那麼彩虹是怎麼形成的呢？雙彩虹又是怎麼形成的呢？為什麼我們平常看不到圓形的彩虹？如果你有這些疑問，這篇文章將為你解答。
要解答這個問題之前，我們要先了解一個基本常識：光的色散現象。這是由史上最偉大的科學家艾薩克牛頓在三稜鏡分光實驗中發現的，當太陽光以一定的角度入射三稜鏡後，經過折射會被分解成不同顏色的光，這種現象稱為光的色散。
我們現在知道，這是由於白色的太陽光是由不同波長的光組成的，不同的波長的可見光對應了不同的顏色，波長最長的可見光為紅色，波長最短的為紫色。不同波長的光在介質中具有不同的折射率，紅光的折射率較低，紫光的折射率較高，這導致它們以相同的角度入射介質以後會以不同的角度出射，這樣就產生了色散。
彩虹形成的原因，就是太陽光照射空氣中的小水珠後經過折射-反射-再折射後產生色散的現象。我們先看一下太陽光在水珠中的行進路徑：
上圖是代表太陽光中的紅光在水滴中產生的折射與反射過程，而由於不同波長的光在水滴中的折射率並不一樣，所以我們來看看折射率更高的紫光的折射和反射路徑：
由於不同的折射率，太陽光入射同一個水滴後，會把紅光和紫光散射向不同的方向，紫光散射的方向更高，所以在這一個水滴裡，我們只能看到反射的紅光。要把紫光剛好也這樣折射在反射到我們的眼裡，太陽光需要照射更低的水滴，因此，我們看到那道明亮的彩虹的顏色是上面是紅光，下面是紫光。
那麼問題來了，它為什麼是弧形的？這就是由於那個折射率導致的。在上面的折射-反射路徑圖中，有沒有留意我下面標註了一個角度≈42°？這就是太陽光經過水滴反射到我們眼裡時所產生的折射率。以太陽和你的連線作為圓心，以42度為夾角畫一個圓就是你能看到的圓形彩虹了，但由於大部分情況下，彩虹的下半部分是被地平線遮擋的，所以我們通常只能看到半圓弧的彩虹，這同時也是我們為什麼只能在清晨和傍晚看到彩虹的原因。
知道這個弧形的成因你就會明白為什麼有的時候能看見圓形的彩虹，答案很簡單，只要你站得足夠高，以至圓形彩虹的下半部分不被遮擋，就能看見一個完整的圓形彩虹了。你能看到的圓形彩虹相片，無一例外都是從高空拍攝的。
那麼問題又來了，雙彩虹那個黯淡的外圈又是怎麼回事呢？那一圈我們一般稱為副虹，古時候又稱為霓，與明亮的合稱為霓虹，晚上五顏六色的霓虹燈就是以此得名的。
副虹其實是由於水滴對太陽光的二次折射反射導致的。由於上面的光路折射-反射圖大家已經大概知道光路的原理了，所以這個圖我就畫簡單一點，也不標註文字了，大家只要能看明白上面兩個圖就應該能看明白這個。
當太陽光經過這樣的二次折射和反射，紅光和紫光的上下位置就逆轉了，紅光需要照射更低的水滴才能反射進我們的眼睛，因此我們看到副虹的顏色順序跟主虹是相反的。副虹經過二次折射-反射後，夾角達到約51度，因此它處在主虹的外圍。同時由於經過了二次反射，被反射的光會大量減少，畢竟水滴本身是透光的，所以副虹一般比較暗淡，很多時候是看不見的。
今天的科普到此為止了，我是星宇飄零，如果喜歡科學，歡迎關注我，會持續更新有趣科普。