科普中國(guó)-彩虹

彩虹，又稱天弓（客家話）、天虹、絳等，簡(jiǎn)稱虹，是氣象中的一種光學(xué)現(xiàn)象，9當(dāng)太陽(yáng)光照射到半空中的水滴，光線被折射及反射，在天空上形成拱形的七彩光譜，由外圈至內(nèi)圈呈紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫 七種顏色。事實(shí)上彩虹有無(wú)數(shù)種顏色，比如，在紅色和橙色之間還有許多種細(xì)微差別的顏色，但為了簡(jiǎn)便起見，所以只用七種顏色作為區(qū)別。

太陽(yáng)光是由紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫7種顏色組成的，當(dāng)照射到水滴上時(shí)會(huì)出現(xiàn)第一次折射，由于這7種顏色光的波長(zhǎng)不同，它們的偏向角度也會(huì)不同，這時(shí)太陽(yáng)光就會(huì)分解為7種單色光；折射后的單色光到達(dá)水滴的背面后，會(huì)按照反射規(guī)律發(fā)生反射；反射后的單色光將回到入射水滴的這一面，這時(shí)將發(fā)生第二次折射，并仍然以單色光的形式射出水滴。1

簡(jiǎn)介

彩虹，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有云的遮擋而可見陽(yáng)光，這樣彩虹便會(huì)較容易被看到。另一個(gè)經(jīng)常可見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，亦可以制造人工彩虹。

形成原因

彩虹是因?yàn)殛?yáng)光射到空中接近球形的小水滴，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，造成我們所見到的彩虹。造成這種反射時(shí)，陽(yáng)光進(jìn)入水滴，先折射一次，然后在水滴的背面反射，最后離開水滴時(shí)再折射一次，總共經(jīng)過(guò)一次反射兩次折射。因?yàn)樗畬?duì)光有色散的作用，不同頻率的光的折射率有所不同，紅光的折射率比藍(lán)光小，而藍(lán)光的偏向角度比紅光大。由于光在水滴內(nèi)被反射，所以觀察者看見的光譜是倒過(guò)來(lái)，紅光在最上方，其他顏色在下。因此，彩虹和霓虹的高度不一樣，顏色的層遞順序也正好反過(guò)來(lái)。彩虹意旨光線經(jīng)過(guò)兩次折射一次反射，霓虹則是光線經(jīng)過(guò)兩次折射兩次反射。2

特殊彩虹

雙彩虹

大多數(shù)人因?yàn)闆]有積極的去觀察而不會(huì)注意到霓，霓是經(jīng)常出現(xiàn)在主虹外側(cè)昏暗的第二道彩虹。霓是陽(yáng)光經(jīng)由雨滴內(nèi)兩次反射和兩次折射產(chǎn)生的，出線的角度在50–53°。兩次反射的結(jié)果，使得霓的色彩排列和虹的弧相反，藍(lán)色在外而紅色在內(nèi)。霓比虹暗弱，因?yàn)閮纱畏瓷洳粌H使得更多的光線逃逸掉，散布的區(qū)域也更為寬廣。在虹與霓之間未被照亮的天空，因?yàn)槭莵啔v山大最先描述的，所以被命名為亞歷山大帶。

更暗的第三道虹，甚至第四道虹，都曾經(jīng)被拍攝過(guò)。這些是陽(yáng)光在雨滴內(nèi)經(jīng)過(guò)三次或四次反射造成的。這些虹都出現(xiàn)在與太陽(yáng)同一側(cè)的天空，第三道和太陽(yáng)相距約40°，第四道則約為45°。因?yàn)殛?yáng)光的關(guān)系，用肉眼很難看見。

Felix Billet （1808–1882） 敘述過(guò)更高階的虹，他描繪出第19道虹的位置，并稱此種模式為"彩虹玫瑰"。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，使用更明亮的光線和準(zhǔn)直良好的激光，可以觀察到更高階的虹。據(jù)報(bào)吳等多人在1998年使用類似的方法，以氬離子激光光束達(dá)到200階的虹。

月虹

月虹，又稱晚虹，是一種非常罕見的現(xiàn)象，在月光強(qiáng)烈的晚上可能出現(xiàn)，由于人類視覺在晚間低光線的情況下難以分辨顏色，故此晚虹看起來(lái)好像是全白色。

反射虹和被反射虹

當(dāng)彩虹出現(xiàn)在水面的物體上時(shí)，來(lái)自不同光路互補(bǔ)的兩個(gè)鏡弧可能分別出現(xiàn)在水面上和水面下。它們的名稱略有不同，如果水面是平靜的被反射虹將呈現(xiàn)鏡像出現(xiàn)在水面的地平線下方。陽(yáng)光在抵達(dá)觀測(cè)者之前首先受到雨滴的偏折，然后經(jīng)過(guò)水面的反射。被反射虹，至少是一部分，經(jīng)?？梢?，甚至在小水坑都可見。

當(dāng)陽(yáng)光在抵達(dá)雨滴前先被水面反射，它可能生成反射虹，如果水面夠大，整個(gè)表面也是平靜的，并靠近雨幕，反射虹便可能出現(xiàn)在地平線之上。它與正常的彩虹交會(huì)在地平線處，并且它的弧會(huì)在天空的較高處，因?yàn)樗闹行脑诘仄骄€之上，而正常彩虹的中心在地平線之下。由于需要上述條件的配合，反射虹是很罕見的。

如果反射的弧再被反射，并且霓反射弧和他的反射弧同時(shí)都出現(xiàn)，同時(shí)出現(xiàn)6條（或是8條）彩帶也是可能的。

全圓彩虹

全圓彩虹導(dǎo)因于雨滴對(duì)陽(yáng)光的“內(nèi)反射”所造成的，因?yàn)橛甑魏涂諝獾恼凵渎什煌瑢?dǎo)致。2

雙子虹

雙子虹，它是Twinned bows的直譯，它們是本是同根生、分出兩叉的彩虹。

霧虹

透過(guò)濃霧陽(yáng)光會(huì)產(chǎn)生白色的彩虹。霧滴的尺寸比雨滴小，因此并沒有把光線分解成色彩分明的數(shù)道光帶。霧滴產(chǎn)生的光帶寬度要寬得多，這些光帶重疊合并成白色光弧。

紅虹

在日出和日落時(shí)，陽(yáng)光的傳播距離很長(zhǎng)，所以綠色、黃色、甚至橙色也能被大量散射。只有紅色不被散射，于是產(chǎn)生了單色的紅色彩虹。

附屬虹

虹的內(nèi)側(cè)，逐級(jí)變窄、減弱的多層七彩序列輪回，叫做附屬虹。

神話及宗教中的彩虹

因?yàn)椴屎绲拿篮退莻€(gè)難以理解的現(xiàn)象，古人便以神話來(lái)解釋地球上有彩虹這一現(xiàn)象，所以彩虹在神話中占有一席位。后來(lái)由伽利略研究對(duì)于光的特性之后，才能解釋彩虹這個(gè)現(xiàn)象。

1、在中國(guó)神話中：

女媧煉五色石補(bǔ)天，彩虹即五色石發(fā)出的彩光。

虹 （龍），龍的一種。

2、在希臘神話中，伊里斯（Iris）是溝通天上與人間的使者。

3、在愛爾蘭民間傳說(shuō)中，矮精靈拉布列康（leprechaun）將寶藏收于彩虹的盡頭。

4、在印度神話中，彩虹是雷電神“因陀羅”（又譯作“帝釋天”）的弓，名為Indradhanush．

5、在北歐神話中，彩虹橋（Bifr?st）連接眾神的領(lǐng)域“亞斯格特”（Asg?rd）和人類居所“中土世界”（Midg?rd）．也就是神和人類的交通要塞，透過(guò)彩虹橋可以往來(lái)。

6、在臺(tái)灣太魯閣族、賽德克族、泰雅族中，彩虹的盡頭是祖靈的所在地。

7、在猶太教和基督教經(jīng)典圣經(jīng)創(chuàng)世記中耶和華讓諾亞建造方舟避開洪水，之后耶和華上帝以彩虹跟諾亞及其子孫立約，不再降大洪水來(lái)毀滅世界。5

參見

• 日暈
• 月暈
• 日華
• 月華
• 折射
• 衍射
• 光
• 霓虹
• 彩虹旗

高空看到的彩虹

彩虹是人們時(shí)?？吹降囊环N自然界的光現(xiàn)象。很多人認(rèn)為只有雨后才能出現(xiàn)彩虹。其實(shí)，這種看法是不全面的。雨后天空有時(shí)會(huì)出現(xiàn)彩虹，但是在陽(yáng)光下，噴泉或瀑布的周圍也會(huì)出現(xiàn)彩虹；在夏天，街上奔跑的灑水車的后面，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)一段彩虹；用噴霧器在空中噴霧也可形成彩虹。

在中學(xué)物理課上，有個(gè)光的色散實(shí)驗(yàn)：取一個(gè)棱鏡，讓一束白光穿過(guò)狹縫射到棱鏡的一側(cè)面，通過(guò)棱鏡后，前進(jìn)方向改變，在白色光屏上形成彩色光帶，順序是紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫七種顏色。這與彩虹的顏色很相似?？諝庵酗h浮有大量的小水滴。當(dāng)太陽(yáng)光照射到這些小水滴上，一個(gè)個(gè)的小水滴就像棱鏡似地把白光分解成七種單色光，對(duì)陽(yáng)光起分光色散作用。

陽(yáng)光射入小水滴，即從空氣這種媒質(zhì)進(jìn)入水這種媒質(zhì)，發(fā)生一次折射，由于構(gòu)成白光的各種單色光的折射率不同，紫光頻率最高，其折射率最大，紅光頻率最低，其折射率最小，其余各色光則介乎其間。因此，光線在小水滴內(nèi)產(chǎn)生分光現(xiàn)象，各色光同時(shí)在小水滴繼續(xù)傳播，遇到水滴的另一界面時(shí)被反射回來(lái)，重新經(jīng)過(guò)小水滴內(nèi)部，出來(lái)時(shí)再一次發(fā)生折射回到空氣中。這樣，陽(yáng)光在小水滴中進(jìn)行了兩次折射和一次全反射就被分解成紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫七種單色光。當(dāng)空氣中的小水滴數(shù)量很多時(shí)，陽(yáng)光通過(guò)這些小水滴，經(jīng)過(guò)反射和折射作用，射出來(lái)的光集中在一起，天空中美麗的彩虹就形成了。

不管天氣如何，瀑布都將持續(xù)流動(dòng)的溪水制造的薄霧反沖入空氣，且大氣層的飽和度持續(xù)推移。這就促成瀑布出色的攝影伴侶——彩虹的出現(xiàn)。在陽(yáng)光明媚的日子，風(fēng)激起海洋或湖水中的浪花，且當(dāng)空氣中的水霧和濕度飽和時(shí)，會(huì)形成瀑布彩虹的一個(gè)變種“噴霧虹”。

平時(shí)，我們看到的多數(shù)是一條彩虹，視角(從地面至虹頂?shù)慕嵌?約42°。有時(shí)在彩虹的外邊還能看到一條顏色順序與這條彩虹恰好相反，且較暗一些的另一條虹，這條叫副虹。主虹是內(nèi)紫外紅，副虹是內(nèi)紅外紫，副虹又叫霓。霓與主虹為同心的圓弧，兩者之間天空比較暗，虹內(nèi)、虹外天空比較明亮。霓的視角大約51°。它的成因與主虹基本相同。它是陽(yáng)光在小雨滴中經(jīng)過(guò)兩次反射和兩次折射而形成的，即折射——全反射——全反射——折射而形成的。

副虹常伴隨主虹出現(xiàn)，它們通常比主虹細(xì)一些、暗淡些。主虹與次虹之間，那部分比周圍天空暗的區(qū)域被稱為 “亞歷山大帶”(即“暗帶”)。

在地平面上，我們看到的主虹與霓是半圓形的，那是因?yàn)樗鼈兿掳氩糠直坏孛嬲谧×恕Ｈ羰钦驹诟呱巾斏?，就能看到主虹與霓的大部分。只有在晴朗的天氣時(shí)，在飛機(jī)艙中向下看，才能看到主虹與霓的全貌，即完整圓環(huán)。

盡管常因地面的阻擋，令看到一個(gè)完整的彩虹非常困難，但實(shí)際上大部分可見的彩虹是呈正圓的弧(據(jù)笛卡爾稱，確切弧半徑為42度)。如果太陽(yáng)的角度太大(例如在中午前后)，或太小(近日出或落日)，我們也不易看到虹，又因虹是陽(yáng)光經(jīng)小水滴反射進(jìn)入我們眼睛的，所以彩虹永遠(yuǎn)出現(xiàn)在太陽(yáng)的對(duì)面，因此朝虹見于西方，夕虹見于東方。其出現(xiàn)以夏季為主。

動(dòng)力飛行器和空中攝影技術(shù)的出現(xiàn)，令眾人有機(jī)會(huì)目睹宏大的圓形彩虹。所以，我們?cè)陲w機(jī)或者高山上見到的，更應(yīng)該是彩虹環(huán)，而不是像加了偏光鏡片的效果。

這張照片是跳傘者從半空中拍攝的，可以看到一個(gè)完整的環(huán)狀彩虹。但是，飛機(jī)上看到的彩虹并非每次都是完整的環(huán)狀彩虹。跳傘者的高度較低，離地表較近，霧氣中水滴較大，能夠形成彩色虹。但飛機(jī)位于高空，高空中云滴的直徑通常很小，因此通?？吹降氖前缀?。不僅如此，只有當(dāng)太陽(yáng)位于天頂時(shí)才能看到標(biāo)準(zhǔn)的圓環(huán)狀虹，當(dāng)太陽(yáng)高度角大于42°小于90°時(shí)，看到的是橢圓形虹；當(dāng)高度角小于42°時(shí)，看到的則是雙曲線弧段了。

出現(xiàn)記錄

吉林琿春市

6月22日，琿春市城區(qū)上空出現(xiàn)雙彩虹。

北京市

2020年9月3日，北京上空出現(xiàn)雙彩虹。

世界紀(jì)錄

**持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的彩虹：**2017年11月30日，中國(guó)文化大學(xué)大氣科學(xué)系的人員在中國(guó)臺(tái)北陽(yáng)明山上空連續(xù)觀測(cè)到一道彩虹，它持續(xù)時(shí)間為8小時(shí)58分。*（吉尼斯世界紀(jì)錄）*8

臺(tái)風(fēng)命名

“彩虹”一名由朝鮮提供，即指大氣光學(xué)現(xiàn)象彩虹，2003年臺(tái)風(fēng)“鳴蟬”被退役后替補(bǔ)名為“彩虹”， 2015年10月2日在菲律賓呂宋島上被升格為熱帶風(fēng)暴，此后在南海逐漸發(fā)展強(qiáng)大，并在靠近華南沿海時(shí)出現(xiàn)近岸爆發(fā)增強(qiáng)，于10月4日下午以超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度登陸廣東省湛江市坡頭區(qū)，成為中國(guó)建國(guó)以來(lái)10月登陸的最強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。臺(tái)風(fēng)“彩虹”由于造成華南沿海等地嚴(yán)重災(zāi)害和損失，次年的臺(tái)風(fēng)委員會(huì)會(huì)議上被臺(tái)風(fēng)委員會(huì)永久除名，“彩虹”的再替補(bǔ)名為“舒力基”。

彩虹預(yù)報(bào)

新疆維吾爾自治區(qū)伊犁哈薩克自治州昭蘇縣是目前國(guó)內(nèi)出現(xiàn)彩虹頻率最高、次數(shù)最多的地方，其獨(dú)特的地理位置與氣候條件，使這里每年夏季出現(xiàn)彩虹景觀超過(guò)150次，有時(shí)一天甚至多達(dá)5次，還常常伴有雙彩虹甚至三彩虹，成為昭蘇縣吸引游客的一大旅游特色，這與昭蘇縣氣象局對(duì)彩虹的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)密不可分。

因彩虹無(wú)法被觀測(cè)儀器直接記錄，獲取觀測(cè)資料并不容易，目前只能靠人工觀測(cè)取得，同時(shí)，彩虹屬于小范圍氣象景觀，有時(shí)一道彩虹只能在5平方公里內(nèi)看到，出現(xiàn)時(shí)間很短。昭蘇縣氣象局牽頭舉辦彩虹攝影比賽，發(fā)動(dòng)社會(huì)各界攝影愛好者拍攝彩虹，將拍攝到的彩虹圖片注明彩虹出現(xiàn)的時(shí)間、地點(diǎn)等信息，及時(shí)回傳到氣象局，隨后再前往離彩虹出現(xiàn)地最近的氣象觀測(cè)站進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從而積累了大量相關(guān)數(shù)據(jù)。

2018年，觀測(cè)團(tuán)隊(duì)建立了全國(guó)首個(gè)彩虹基因庫(kù)，詳細(xì)記錄了此前一年彩虹出現(xiàn)和被捕捉時(shí)的氣象數(shù)據(jù)。為了能夠更詳細(xì)、系統(tǒng)地進(jìn)行觀測(cè)，昭蘇縣氣象局還制定了全國(guó)首個(gè)虹霓裳觀測(cè)規(guī)范，對(duì)相關(guān)細(xì)節(jié)提出了嚴(yán)格要求。2019年7月5日，昭蘇縣氣象局通過(guò)昭蘇天氣微信公眾號(hào)對(duì)外發(fā)布了第一條彩虹預(yù)報(bào)，成功預(yù)報(bào)了當(dāng)天彩虹出現(xiàn)的地點(diǎn)和時(shí)間。

目前，彩虹預(yù)報(bào)10小時(shí)提前預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率高達(dá)85%，昭蘇縣氣象局與中國(guó)氣象局有關(guān)部門合作，共同建立彩虹預(yù)報(bào)模型，一旦模型建立完成，就可以在全國(guó)甚至全世界進(jìn)行彩虹預(yù)報(bào)。