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彩(cai)虹(hong)是(shi)由將太陽(yang)光(guang)分解成不同波長或顏色的(de)水滴形(xing)成的(de)。而我們平時看見的(de)彩(cai)虹(hong)只(zhi)是(shi)半弧(hu)形(xing)的(de)，這是(shi)因為(wei)地平線擋住了它的(de)下半部分。而太陽(yang)的(de)高(gao)度可以決定彩(cai)虹(hong)弧(hu)度的(de)多少(shao)，太陽(yang)在天空中(zhong)越低，彩(cai)虹(hong)的(de)底部就越高(gao)。因此站(zhan)得(de)越高(gao)，看到的(de)彩(cai)虹(hong)弧(hu)度就越完整(zheng)。

形成原因

由(you)于(yu)地球(qiu)表面(mian)(mian)是一(yi)個曲(qu)面(mian)(mian)并且被厚(hou)厚(hou)的(de)大(da)氣(qi)(qi)(qi)所覆蓋(gai)，雨后空氣(qi)(qi)(qi)中的(de)水(shui)(shui)含量(liang)比平(ping)時高，當陽(yang)(yang)光照射(she)入空氣(qi)(qi)(qi)中的(de)小水(shui)(shui)滴(di)時就形(xing)成了折射(she)。同時由(you)于(yu)地球(qiu)表面(mian)(mian)的(de)大(da)氣(qi)(qi)(qi)層為一(yi)弧(hu)面(mian)(mian)從(cong)而導致了陽(yang)(yang)光在表面(mian)(mian)折射(she)形(xing)成了我們所見到的(de)弧(hu)形(xing)彩虹。

目擊現場

來自西澳大利亞州佩斯的攝(she)影師科林-萊(lai)昂(ang)哈特在旅行經過科茨洛灘時，拍到了一(yi)個全圓形彩虹(hong)。

科林說：“我(wo)們(men)當時在結束(shu)一(yi)次(ci)航拍的(de)返(fan)程途(tu)中(zhong)，直升機經過一(yi)片(pian)陣雨(yu)區(qu)。當我(wo)們(men)穿過雨(yu)區(qu)邊緣的(de)時候，太陽正(zheng)在落山，位置很低，陽光正(zheng)好打造出(chu)這一(yi)奇特的(de)彩虹。它就在我(wo)們(men)的(de)正(zheng)前方形(xing)成了。”

于是科林(lin)拿(na)出相機，抓拍下了全圓形彩虹的形成過程。

據(ju)美國國家航空(kong)航天(tian)局介(jie)紹(shao)，全圓(yuan)形彩虹現象(xiang)和觀測者位置(zhi)有(you)很大(da)關系，主要(yao)是由雨滴對陽光的內反(fan)射形成的。

形成條件

空(kong)中漂浮的(de)(de)小水滴(di)就像一個(ge)個(ge)球(qiu)形透鏡，陽光射(she)(she)入水滴(di)后，經過(guo)折(zhe)(zhe)射(she)(she)、反射(she)(she)再(zai)折(zhe)(zhe)射(she)(she)出來(lai)，進入我(wo)們的(de)(de)眼睛。本來(lai)的(de)(de)白光進入水滴(di)后，會(hui)像牛(niu)頓的(de)(de)三棱鏡實(shi)驗一樣，由于折(zhe)(zhe)射(she)(she)而分成不同(tong)(tong)的(de)(de)色光，所以彩虹才(cai)有不同(tong)(tong)的(de)(de)顏(yan)色。

空氣(qi)中布滿水滴，為什么(me)我們只看到一道彩(cai)虹，而不是到處(chu)都有彩(cai)虹呢(ni)?這是因為光(guang)線入(ru)射(she)水珠的位置，只有一個角(jiao)度會讓折射(she)出(chu)的光(guang)線強度最大(da)(見圖A)。這就是解(jie)讀(du)彩(cai)虹現象(xiang)的最基本原(yuan)理：入(ru)射(she)光(guang)和眼睛見到色光(guang)的視線間有一個固定(ding)的夾角(jiao)。

因此，并不是(shi)只有空中某些特別的(de)水(shui)珠會產生彩虹(hong)，而是(shi)只有在(zai)(zai)特定角(jiao)(jiao)(jiao)度的(de)水(shui)珠所折(zhe)射(she)出來的(de)色(se)光(guang)(guang)(guang)才能進入我們(men)的(de)眼(yan)睛。這個角(jiao)(jiao)(jiao)度和不同色(se)光(guang)(guang)(guang)的(de)折(zhe)射(she)率有關，例如紅(hong)光(guang)(guang)(guang)的(de)折(zhe)射(she)率較(jiao)小，夾角(jiao)(jiao)(jiao)較(jiao)大(約42°13')；反(fan)之(zhi)，紫光(guang)(guang)(guang)折(zhe)射(she)率小，夾角(jiao)(jiao)(jiao)就較(jiao)小(約40°30')。這就造成(cheng)紅(hong)色(se)在(zai)(zai)上、紫色(se)在(zai)(zai)下的(de)彩虹(hong)。

因(yin)為(wei)(wei)(wei)陽光是平行(xing)入射，由上述原理(li)和“并行(xing)線同位角相等(deng)”定理(li)，進入眼中的(de)色光會因(yin)為(wei)(wei)(wei)空(kong)氣(qi)中的(de)水(shui)珠層厚(hou)度的(de)增加(jia)而加(jia)強，這就(jiu)是為(wei)(wei)(wei)什(shen)么大雨后的(de)彩虹較清(qing)楚(chu)、小雨后的(de)較淡薄的(de)原因(yin)。

由于固定夾角的(de)限制，當太陽(yang)在(zai)我們頭(tou)上時(shi)，折射的(de)光線(xian)不(bu)能進(jin)入眼睛，所以看不(bu)到(dao)(dao)彩虹(hong)。必須到(dao)(dao)下午4點以后，彩虹(hong)才(cai)會在(zai)山巒或城(cheng)市的(de)天際出現(xian)，而且隨(sui)著時(shi)間越接(jie)近(jin)傍晚，彩虹(hong)的(de)位置(zhi)會越高，這也(ye)是前述基本原(yuan)理的(de)應用。

根據(ju)同樣的(de)原理(li)，考慮以通過(guo)眼睛平行于入射陽光(guang)的(de)直線(xian)(xian)為軸(zhou)，旋轉(zhuan)(zhuan)在你眼中造成彩虹的(de)入射光(guang)線(xian)(xian)，這時，進入眼睛的(de)折射色光(guang)，會轉(zhuan)(zhuan)出一個圓錐(zhui)面(mian)(mian)(mian)。如(ru)果(guo)入射光(guang)與地面(mian)(mian)(mian)不平行(例如(ru)下午4點時)，這個圓錐(zhui)面(mian)(mian)(mian)投射到(dao)我們(men)眼里，看起(qi)來(lai)只是(shi)一段短圓弧。但是(shi)到(dao)了傍晚，陽光(guang)平行于地面(mian)(mian)(mian)時，我們(men)眼中的(de)彩虹，就幾乎是(shi)正(zheng)半圓。

由于(yu)地(di)球(qiu)表(biao)面(mian)是一(yi)個曲面(mian)并且被厚厚的(de)(de)大(da)氣(qi)所(suo)覆蓋，雨后(hou)空氣(qi)中(zhong)的(de)(de)水含量比平時(shi)(shi)高，當陽(yang)光照射(she)(she)入空氣(qi)中(zhong)的(de)(de)小(xiao)水滴時(shi)(shi)就形(xing)成了(le)折射(she)(she)。同(tong)時(shi)(shi)由于(yu)地(di)球(qiu)表(biao)面(mian)的(de)(de)大(da)氣(qi)層為一(yi)弧面(mian)從而導致了(le)陽(yang)光在(zai)表(biao)面(mian)折射(she)(she)形(xing)成了(le)我(wo)們所(suo)見(jian)到(dao)的(de)(de)弧形(xing)彩(cai)虹。

科學證明，所有(you)的(de)(de)彩虹(hong)都是全圓形的(de)(de)，只(zhi)是我們(men)平時無法從地面上看到。想要看到全圓形彩虹(hong)是非常難得的(de)(de)，必須具備“天(tian)時地利”的(de)(de)條件(jian)，所以(yi)通常只(zhi)有(you)飛行員才能(neng)見(jian)到這種自然奇觀(guan)。

相似現象

火焰彩虹

火(huo)焰彩(cai)(cai)虹(hong)(hong)，是極為少見的(de)景(jing)象(xiang)，只(zhi)有(you)太陽(yang)處(chu)于(yu)天頂，太陽(yang)光(guang)穿(chuan)射過高海拔處(chu)的(de)卷云(yun)，并(bing)且卷云(yun)富含冰(bing)晶(jing)時，火(huo)焰彩(cai)(cai)虹(hong)(hong)才(cai)有(you)可(ke)能產生。火(huo)焰彩(cai)(cai)虹(hong)(hong)也叫彩(cai)(cai)虹(hong)(hong)云(yun)。

冰彩虹

氣象官員又將冰(bing)彩(cai)虹(hong)稱作"22度(du)虹(hong)"，因為這(zhe)(zhe)種環形(xing)結(jie)構是在(zai)(zai)太陽(yang)周(zhou)圍(wei)22度(du)范圍(wei)內(nei)形(xing)成的。這(zhe)(zhe)種視覺現(xian)象是由(you)大氣里的盤(pan)狀(zhuang)冰(bing)晶反(fan)射(she)陽(yang)光形(xing)成的冰(bing)彩(cai)虹(hong)，這(zhe)(zhe)些冰(bing)晶所在(zai)(zai)的云(yun)團一般很薄，而(er)(er)(er)且(qie)是一簇簇聚集在(zai)(zai)一起，常被稱作卷云(yun)。只有當太陽(yang)升得很高(gao)(大約位于地平線上(shang)方58度(du)范圍(wei)內(nei))，而(er)(er)(er)且(qie)它發出的光正好從高(gao)空卷云(yun)里穿過時(shi)，才能看(kan)到(dao)這(zhe)(zhe)種罕見現(xian)象。太陽(yang)的高(gao)度(du)決定了這(zhe)(zhe)種光暈的清晰(xi)度(du)。而(er)(er)(er)且(qie)卷云(yun)里的冰(bing)晶必須(xu)呈(cheng)六邊形(xing)，而(er)(er)(er)且(qie)薄薄的冰(bing)片必須(xu)與地面平行。

月亮彩虹

我們(men)都(dou)知道(dao)，彩虹(hong)是經常在(zai)雨后出現的，而(er)且(qie)經常會出現。但是，這種(zhong)月(yue)亮(liang)(liang)彩虹(hong)并不經常被人們(men)看到(dao)(dao)。因為月(yue)亮(liang)(liang)彩虹(hong)形成的條件比較少見，它一般都(dou)是在(zai)滿月(yue)或者是馬上就滿月(yue)的夜晚，而(er)且(qie)還需要在(zai)月(yue)亮(liang)(liang)低垂的時候(hou)才會發(fa)生這種(zhong)現象。這種(zhong)月(yue)亮(liang)(liang)彩虹(hong)看起來特別的獨特，非(fei)常漂亮(liang)(liang)。最經常看到(dao)(dao)月(yue)亮(liang)(liang)彩虹(hong)的地方(fang)就是在(zai)美(mei)國(guo)的坎伯蘭(lan)大瀑布那里，還可以看到(dao)(dao)很漂亮(liang)(liang)的月(yue)亮(liang)(liang)彩虹(hong)。