“套娃”彩虹是怎樣形成的

唐奧

雨水多的季節(jié)，見(jiàn)到彩虹的機(jī)會(huì)也就多了。見(jiàn)到一道彩虹并不稀奇，可你見(jiàn)過(guò)成對(duì)的彩虹，甚至彩虹“套娃”嗎？

什么時(shí)候可以看到彩虹

彩虹簡(jiǎn)稱(chēng)虹，是一種常見(jiàn)的光學(xué)現(xiàn)象。組成彩虹的顏色有7種：紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫。在中國(guó)古代，人們對(duì)彩虹就已經(jīng)有了初步的認(rèn)識(shí)。北宋科學(xué)家沈括在《夢(mèng)溪筆談》中引用了孫彥先對(duì)彩虹形成的描述：“虹乃雨中日影也，日照雨而有之?！敝赋霾屎缡怯曛钩跚鐣r(shí)的自然現(xiàn)象。

雖然那時(shí)人們就認(rèn)識(shí)到，必須要滿(mǎn)足雨和陽(yáng)光兩個(gè)條件，彩虹才會(huì)出現(xiàn)，但是對(duì)其中的原理并不是很清楚。直到17世紀(jì)，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(yáng)光照射雨滴，由于不同波長(zhǎng)的光在雨滴中的折射率不同，會(huì)使不同波長(zhǎng)的光分開(kāi)，形成彩虹。

按理說(shuō)只要下雨、有陽(yáng)光，就會(huì)出現(xiàn)彩虹，但實(shí)際并不是每次都能看到彩虹，因?yàn)椴屎绲某霈F(xiàn)不僅與天氣有關(guān)，還與觀察角度有關(guān)。我們只有背對(duì)著太陽(yáng)，才能觀察到彩虹。如果面對(duì)著太陽(yáng)，光線(xiàn)穿過(guò)水滴發(fā)生的兩次折射和一次反射，會(huì)損失掉一部分光。此時(shí)太陽(yáng)光是無(wú)損進(jìn)入眼睛的，相比之下進(jìn)入眼睛的彩虹光線(xiàn)很弱，信噪比太低，使得視網(wǎng)膜感應(yīng)不到彩虹。所以，當(dāng)面對(duì)太陽(yáng)時(shí)，我們通常是無(wú)法觀察到彩虹的。

反之，如果我們背對(duì)著太陽(yáng)，太陽(yáng)光射入水滴中，在水滴中光線(xiàn)經(jīng)過(guò)兩次折射和一次反射，發(fā)生色散，形成彩虹進(jìn)入人的眼睛。雖然這個(gè)過(guò)程同樣會(huì)損失一部分光，但背景光是太陽(yáng)光經(jīng)遠(yuǎn)處的云層和天空散射回來(lái)的光，相對(duì)來(lái)講比較弱，這時(shí)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(huì)影響我們所看到的彩虹形狀。平時(shí)我們看見(jiàn)的彩虹都是半圓的，但實(shí)際上彩虹是一個(gè)完整的圓，因?yàn)椴屎绫緛?lái)就是太陽(yáng)經(jīng)過(guò)水滴所成的像。

彩虹的位置與反日點(diǎn)有關(guān)。反日點(diǎn)是以觀察點(diǎn)為準(zhǔn)，與太陽(yáng)成180°的點(diǎn)。彩虹則是以反日點(diǎn)為中心的圓環(huán)，通常我們?cè)诘仄矫嫔嫌^察彩虹的時(shí)候，反日點(diǎn)都在地平線(xiàn)以下，地面遮住了彩虹的下半部分，所以我們只能看見(jiàn)半圓的虹橋。

要想看見(jiàn)完整的彩虹，有兩個(gè)辦法。一是提高觀察點(diǎn)的高度，這樣反日點(diǎn)的高度就會(huì)升高。比如我們?cè)陲w機(jī)上有時(shí)就能看見(jiàn)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(yáng)仰角。在傍晚的時(shí)候，太陽(yáng)逐漸下降，接近地平線(xiàn)，這時(shí)反日點(diǎn)也在慢慢上升，這樣就能看見(jiàn)大部分的彩虹了。

當(dāng)太陽(yáng)的仰角大于42°時(shí)，彩虹完全在地平線(xiàn)以下，這時(shí)即使天氣很好，剛剛下過(guò)雨，觀察者也觀察不到任何彩虹。所以，中午的時(shí)候是不可能觀察到彩虹的，一般在上午 9點(diǎn)左右和下午4點(diǎn)左右，太陽(yáng)光光強(qiáng)足夠，太陽(yáng)的仰角也合適，這時(shí)是觀察彩虹的最佳時(shí)機(jī)。

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(chēng)為主虹，顏色較亮，外層的彩虹稱(chēng)為副虹，顏色較暗。也有人稱(chēng)內(nèi)層的為虹，外層的為霓，這也是“霓虹”這個(gè)詞語(yǔ)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(shuō)到我們能看見(jiàn)彩虹，是因?yàn)樘?yáng)光線(xiàn)射入水滴中，經(jīng)過(guò)了折射——反射——折射，然后進(jìn)入我們的眼睛，但這只是太陽(yáng)光線(xiàn)在水滴中傳播的一種方式。如果太陽(yáng)光在水滴表面某些特殊位置上射入水滴時(shí)，能夠滿(mǎn)足光線(xiàn)在水滴中發(fā)生兩次反射和兩次折射，這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)第二種成像途徑——太陽(yáng)經(jīng)過(guò)水滴成像，在水滴中發(fā)生色散，這就形成了第二道彩虹。

細(xì)心的觀察者可能會(huì)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(guò)色散后，紅色在上，紫色在下。每在界面處經(jīng)過(guò)一次反射，顏色的順序就會(huì)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?yàn)楣庠诮?jīng)過(guò)水——空氣界面時(shí)，折射的同時(shí)也會(huì)發(fā)生反射，當(dāng)光折射進(jìn)入和射出水滴時(shí)都有一部分光損失掉了。在水滴里反射時(shí)，也會(huì)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(méi)有可能兩條彩虹的亮度相同呢？答案是肯定的。相對(duì)于空氣，水滴是光密介質(zhì)，當(dāng)入射角滿(mǎn)足一定條件時(shí)，會(huì)發(fā)生全反射，這時(shí)光不會(huì)損耗。要滿(mǎn)足過(guò)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(shí)驗(yàn)室中才可以觀察到。

也許有人會(huì)問(wèn)，什么時(shí)候才能滿(mǎn)足雙彩虹所必須的兩次反射條件呢？其實(shí)，只要有彩虹的出現(xiàn)，就一定有雙彩虹。因?yàn)樘?yáng)光線(xiàn)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(huì)有某些位置的入射光線(xiàn)能夠滿(mǎn)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(jiàn)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(xiàn)在水滴中發(fā)生了兩次反射，同理，三重彩虹是光線(xiàn)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(qiáng)度逐級(jí)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(diǎn)不在太陽(yáng)對(duì)立面，反而靠近太陽(yáng)，因而極為罕見(jiàn)。自1700年以來(lái)，只有四五次文字記載的多重彩虹目擊事件。

雖然人眼對(duì)光的感知能力比較低，但是現(xiàn)在人們可以通過(guò)動(dòng)態(tài)范圍更大的相機(jī)，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(yáng)同側(cè)。

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