一口氣搞懂︱雙彩虹,霓虹,微笑彩虹和月虹背後的物理學原理

上篇文章我們說到了光和顏色的奧秘！這是理解彩虹背後物理學的第一步，因為彩虹的形成與光和顏色有很大的關係，有興趣的朋友可以戳下方連結：一口氣搞懂︱顏色的奧秘，物理學和生物學共同作用的結果。

早在中國唐朝，孔穎達就提出了「若雲薄漏日，日照雨滴則虹生」，表明了虹是日光照射雨滴所產生的自然現象。

說到彩虹想必大家都很了解，也能說出個門道，例如：彩虹是光通過水的微小顆粒折射形成的，彩虹有7種顏色等等，但是這些說法都不完整，今天我就帶大家詳細了解下彩虹背後的物理學原理，還包括一些你可能不知道的彩虹：雙彩虹，霓虹，倒置彩虹（微笑彩虹），月虹！

正如我提到的，彩虹與太陽光的顏色有很大關係，來自太陽的白光包含了我們已知的所有的顏色，甚至是我們看不到的顏色，畢竟幫助我們人類分辨顏色的視錐細胞只有三種類型，而一種擁有自生物界最複雜眼睛的螳螂蝦，擁有16種視錐細胞，你可以想一下它們眼裡的世界真的和我們不一樣。

我們知道光即可以完成波的行為，也可以完成一個粒子擁有的行為，關於彩虹的形成我們需要解釋光波的行為，包括反射、折射和衍射。我們先了解下太陽光為何擁有如此多的顏色？

太陽光為何在電磁波譜上表現得如此平滑

我們怎樣理解太陽電磁波譜得平滑呢？我們知道太陽光屬於電磁波，電磁波包括我們看得見的、看不見的，波長從數十米，擁有極低能量的無線電波到納米波段，擁有極高能量的γ射線，波長的過度極其平緩，類似於我們常說的「無級變速」這種概念！所以太陽光由無數種波長的光組成，而不同的波長代表不同的顏色！這麼一說，你可能會產生疑問？要是這樣的話，是不是太陽光的顏色就多到數不盡了？

是的！確實數不盡，無數種顏色！我之前有篇文章分析過這個問題，有興趣的朋友可以深入的了解下：你認為彩虹只有7種顏色嗎？它可能有10^4、10^6甚至10^32種

至於我們為何只能看到有限的顏色，這就是上文說的，這是我們自己眼睛的問題！我們大概能分辨出1000萬種顏色。下面我們就了解下光波的性質：

反射

當光線照射到物體表面並從物體表面反彈時，我們稱其為反射。照射反射面的光線稱為入射光線，被反射的光線稱為反射光。反射角定律指出入射角和反射角是相等的。

反射又分為：鏡面反射和漫反射兩種。

鏡面反射發生在光滑的表面，比如鏡子，反射的光線都在同一方向上運動漫反射發生在粗糙的表面，反射光線分散在不同的方向。

折射

當波從一種介質傳播到另一種介質時，方向會發生改變造成彎曲。這是因為波在不同的材料中有不同的速度和波長。

光線入射速度的改變會引起方向的改變，下圖中光從空氣到水的速度減慢，因為水是一種密度更大的物質，擁有較高的折射率，所以光線向法線（N）方向彎曲。看下圖：

上圖是我發現的解釋光折射最好的例子，我們可以把小球比作光子，當第一個光子進入密度好的介質時，會發生減速，而後面的光子還在以同樣的速度運行，這樣就會發生錯位，導致彎折！可以想像一下一排隊伍的情形，很好理解！

根據斯涅爾定律，我們知道了光在不同介質中是如何彎曲的。

這個公式中的n是折射率，取決於材料性質。在我們的例子中n1是空氣和n2是水。折射角度θ2小於入射角θ1。那麼當光從水進入空氣，反過來會發生什麼?

上圖中我們可以看到，會發生相反的情況，反射角會大於入射角，光線會遠離法線。我們需記住的是：

從小密度到大密度介質，光線就向法線彎曲。從大密度到小密度介質，光線就會遠離法線。每種顏色的光折射率是不同的，紅光的折射率小，紫光的折射率大。

衍射

從上文中，我們已經了解到，當光波從一個反射面反射回來時，光波會改變方向；當光波從一種介質傳遞到另一種介質(折射)時，也會改變方向。還有第三種改變方向的方法，那就是衍射。

當一個波通過狹縫或在波傳播的路徑上繞過一個障礙物時，就會發生衍射。上圖中，你可以看到水波的行為，光波與之非常相似，光波經過狹縫後也會彎曲。

當光通過狹縫時，較長的波比較短的波傳播得範圍更廣。如果我們有一盞單色燈，它的光線經過狹縫後會分成明暗相間的條紋，如果我們有一盞白光燈，它的光線會分成彩色條紋，也就是我們所說的光譜。

通過上面的介紹，我們已經知道了光波的行為，現在我們就可以繼續研究彩虹了，看看它們是如何形成的。

彩虹的形成

彩虹的形成是光波折射和反射的結合，並將陽光分散成一個連續的顏色分布。彩虹出現在雨後並不是巧合。水和光源是必不可少的兩個要素，缺少一個都不會形成彩虹。

雨後，大氣中有許多懸浮的小水滴，水滴是一種與周圍空氣光學密度不同的介質。水滴就充當了光的折射物。當光進入和離開每一個水滴時，光的路徑就會發生偏差。

我們通常看到的彩虹叫做主彩虹。是光線通過水滴發生折射並在內部反射時形成的。實際上總共發生了三件事，兩次折射和一次反射。首先是光線進入水滴時會發生一次折射，然後在水滴內部發生一次反射，最後是光線離開水滴時又發生一次折射。

下圖，來自太陽的入射光線和射向觀察者眼睛的光線之間的角度稱為偏離角，對於紅光與入射光的角度大約為42度。波長越短最終與入射光線的偏離角度越小，紫色大約是40度。這就是為什麼我們在彩虹的頂部看到紅色，在底部看到紫色。

我們從地面上看彩虹是一個拱，但實際上它是一個圓形。如果你從飛機上看彩虹，你可以看到整個圓形。弧內的每一個水滴都在反射和折射整個可見光光譜。你可以用灑水器自己在家創造一個彩虹，也可以在瀑布處看到彩虹。

要看到彩虹，必須背對著太陽。當太陽太高的時候，彩虹會在地平線以下。最好的觀察時間是清晨和傍晚，當太陽接近地平線的時候。

關於彩虹一些有趣的事實：成千上萬道彩虹、彩虹不是在一個固定的位置

成千上萬條彩虹關於彩虹最有趣的事情是：雨後你看到的彩虹實際有成千上萬道彩虹。你向左或向右移動一點點，你看到的將不是同一道彩虹，而是一條全新的彩虹。

彩虹不是在一個固定的位置彩虹不在天空中任何一個特定的位置。當你在移動的過程中，你會看到不同的雨滴，看到不同的彩虹。每個觀測者都接收到來自不同雨滴的散射光，所以如果你周圍有九個人，那麼你們十個人就會看到十種不同的彩虹。

雙重彩虹

你見過雙重彩虹？我印象種真沒有見過，可能是從未認真觀察過吧，下次一定要注意下。上文中我們討論過水滴內部的兩次折射和一次反射。要出現雙彩虹，水滴中需要有第二次反射，才能形成第二道彩虹。也就是兩次折射，兩次反射，而上層的那道彩虹稱為霓虹！看下圖：

造成虹與霓的光學原理，左上為霓，右上

當出現霓虹時，由於經過了兩次反射，霓虹的顏色分布正好和彩虹的相反。紅色在底部，紫色在頂部。而且霓虹是第一道彩虹的兩倍寬，但沒有第一道那麼明亮，這是因為經過兩次的反射後會損失掉一部分光線，光線散布的區域更廣。

兩道彩虹之間的天空比其他的地方都要暗，在3世紀早期由亞歷山大·阿佛洛狄首先描述這一現象，後來被稱為亞歷山大暗帶。天空的一部分較暗。

倒置彩虹（微笑彩虹）

你知道天空有時會微笑嗎？這就是我們常說的微笑彩虹。顛倒的彩虹被稱為環天頂弧，這種現象在寒冷的氣候中更常見。這些彩虹是由空氣中的冰晶形成的。但它們不是真正的彩虹。環天頂弧是一種由陽光通過冰晶折射而產生的光學現象。

月虹

沒錯，晚上也會有彩虹，這個估計大部分沒見過吧。雖說月亮不是初級光源，但它可是太陽光線的搬運工。所以要看到月亮上的彩虹，月亮必須要圓，而且要離地平線很近，天空還必須昏暗，所以要在雨後日出前2 - 3小時或日落後2 - 3小時有可能會看到月虹。

沒想到一個小時候都感覺已將掌握的彩虹背後原來也包含這麼多科學。