虹與霓的形成原理

1、虹與霓的形成原理 虹是由于太陽光線被大氣中的水滴反射和折射而形成 的一種自然現(xiàn)象。雨過天晴，空氣中存在大量的水分，塵粒 減少，能見度提高， 這時太陽的對面天空中將出現(xiàn)彩色圓弧， 按一定順序排列紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫七種顏色。這 種圓弧有時能見到兩個，紅色在外、紫色在內(nèi)，顏色鮮艷的 叫“虹”，紅色在內(nèi)、紫色在外，顏色較淡的叫“霓”。光 在球形介質(zhì)內(nèi)傳播的反射、折射所引起的色散現(xiàn)象，接著討 論霓虹的分布與太陽在天空中位置的關(guān)系。 虹霓是怎么回事呢？從實驗測量的角度來說， 虹的仰角是 42 度，而霓則是 50 度；從唯象觀察的角度講，太陽光在水珠 中經(jīng)過一次全反射的是虹，兩次的是霓。 可見光分為

2、紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫?？梢姽馐请姶挪?， 而且只是電磁波連續(xù)光譜中極小的一部分。 太陽光是各種可見光的混合，呈白色，通過棱鏡、水等的反 射折射時，出現(xiàn)色散現(xiàn)象。虹和霓就是太陽光通過大量小球 形水珠時，通過折射、反射后的色散現(xiàn)象。虹( rainbow )，即彩虹，是紅色在外， 紫色在內(nèi)。霓( secondary rainbow )，也稱二級虹。霓的色彩正好與虹相反，即外圈是 紫色，內(nèi)圈是紅色。太陽光在水珠中經(jīng)過一次全反射的是虹，兩次的是霓。霓和 虹的不同點僅僅在于光線在雨點內(nèi)產(chǎn)生二次內(nèi)反射，因此光線通過雨滴后射到我們眼簾時，光弧色帶就與虹正好相反 1、虹的形成：一束平行的太陽光沿圖中方向射入

3、空中的一小水滴時，由于 折射而進(jìn)入到水滴中且同時發(fā)生色散，然后經(jīng)過一次反射再 從水滴射出。由于紅光在水珠中的折射率最小使其出射光線 與入射光線成 42 度，而紫光在水珠中的折射率最大使其折 射光線與入射光線成 40 度。人眼按直線追溯射入眼中的光線射來的方向看到偏折較小 的紅光出現(xiàn)在“虹”的最外側(cè)，而折射率最大的紫光出現(xiàn)在 “虹”的內(nèi)側(cè)。2、霓的形成： 當(dāng)一束太陽光射入一小水滴發(fā)生折射而在水滴內(nèi)發(fā)生兩次 全反射時，折射率小的紅光的出射光線方向與入射方向成 50.6 度。折射率大的紫光的出射方向與入射方向成 53.6 度。 人眼根據(jù)視覺的直線特性而將觀察到射出水滴后的光線在 空中形成外側(cè)成紫色而

4、內(nèi)側(cè)成紅色的彩色分布。由于太陽光經(jīng)過水滴后發(fā)生兩次反射的情況較發(fā)生一次反 射的光能量損失很多，因而“霓”的亮度比“虹”的亮度暗 得多，故又將其稱作副虹，而且副虹位于主虹之上，副虹下 面才是主虹。主虹中顏色的分布為外紅內(nèi)紫，副虹的顏色分 布為外紫內(nèi)紅。人們通常觀察到天空中的彩虹主要是主虹而 副虹因為太暗一般不容易被人們觀察到。 太陽光在水珠內(nèi)經(jīng)過三次、四次反射也可以形成彩帶而被稱 為第三虹、第四虹等，但它們的色彩更暗淡，故一般很難看 得到。以空氣中的微小水滴作為反射介質(zhì)為例：虹：光線在入射水 滴的界面時，產(chǎn)生色散；再經(jīng)過水滴與空氣的界面時色散的 光線分別各發(fā)生一次全反射（反射點的位置有細(xì)微差異，

5、但 都是連續(xù)的） ，射出時（與原光線的方向向量夾角為鈍角） 再經(jīng)過水滴界面，再次色散。霓：與虹相似，但全反射了兩 次。由于全反射吸收了部分光的能量，所以看起來要比虹暗 淡一些，色帶方向也與虹相反。彩虹是因為陽光射到空中接近圓形的小水滴，造成色散及反 射而成。陽光射入水滴時會同時以不同角度入射，在水滴內(nèi) 亦以不同的角度反射。當(dāng)中以 40 至 42 度的反射最為強烈， 形成我們所見到的彩虹。形成這種反射時，陽光進(jìn)入水滴， 先折射一次，然后在水滴的背面反射，最后離開水滴時再折 射一次。因為水對光有色散的作用，不同波長的光的折射率 有所不同，藍(lán)光的折射角度比紅光大。由于光在水滴內(nèi)被反 射，所以觀察者看

6、見的光譜是倒過來，紅光在最上方，其他 顏色在下。其實只要空氣中有水滴，而陽光正在觀察者的背 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)天晴時出現(xiàn)。這時空氣內(nèi)塵埃少而充 滿小水滴，天空的一邊因為仍有雨云而較暗。而觀察者頭上 或背后已沒有云的遮擋而可見陽光，這樣彩虹便會較容易被 看到。另一個經(jīng)?？梢姷讲屎绲牡胤绞瞧俨几浇Ｔ谇缋实?天氣下背對陽光在空中灑水或噴灑水霧，亦可以人工制造彩 虹?？諝饫锼蔚拇笮?，決定了彩虹的色彩鮮艷程度和寬窄?？?氣中的水滴大，虹就鮮艷，也比較窄；反之，水滴小，虹色 就淡，也比較寬。我們面對著太陽是看不到彩虹的，只有背 著太陽才能看到彩虹

7、，所以早晨的彩虹出現(xiàn)在西方，黃昏的 彩虹總在東方出現(xiàn)。可我們看不見，只有乘飛機從高空向下 看，才能見到。虹的出現(xiàn)與當(dāng)時天氣變化相聯(lián)系，一般我們 從虹出現(xiàn)在天空中的位置可以推測當(dāng)時將出現(xiàn)晴天或雨天。 東方出現(xiàn)虹時，本地是不大容易下雨的，而西方出現(xiàn)虹時， 本地下雨的可能性卻很大。冬天的氣溫較低，在空中不容易 存在小水滴，下雨的機會也少，所以冬天一般不會有彩虹出 現(xiàn)。彩虹其實并非出現(xiàn)在半空中的特定位置。它是觀察者看 見的一種光學(xué)現(xiàn)象，彩虹看起來的所在位置，會隨著觀察者 而改變。當(dāng)觀察者看到彩虹時，它的位置必定是在太陽的相 反方向。彩虹的拱以內(nèi)的中央，其實是被水滴反射，放大了 的太陽影像。所以彩虹以內(nèi)

8、的天空比彩虹以外的要亮。彩虹 拱形的正中心位置，剛好是觀察者頭部陰影的方向，虹的本 身則在觀察者頭部的影子與眼睛一線以上40°至 42°的位置。因此當(dāng)太陽在空中高于 42 度時，彩虹的位置將在地平 線以下而看不見。這亦是為什么彩虹很少在中午出現(xiàn)的原 因。彩虹由一端至另一端，橫跨84°。以一般的35mm照相機，需要焦距為19mm以下的廣角鏡頭才可以用單格把整條 彩虹拍下。 在飛機上， 會看見彩虹是原整的圓形而不是拱形， 而圓形彩虹的正中心則是飛機行進(jìn)的方向。晚虹是一種罕見 的現(xiàn)象，在月光強烈的晚上可能出現(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

9、來好像是全白 色的。雙彩虹，有時候會見到兩條彩虹同時出現(xiàn)，在平常的彩虹外 邊出現(xiàn)同心，但較暗的副虹 （又稱霓 ） 。副虹是陽光在水滴中 經(jīng)兩次反射而成。當(dāng)陽光經(jīng)過水滴時，它會被折射、反射后 再折射出來。在水滴內(nèi)經(jīng)過一次反射的光，便形成我們常見 的彩虹（主虹） 。若光線在水滴內(nèi)進(jìn)行了兩次反射，便會產(chǎn) 生第二道彩虹（霓） 。霓的顏色排列次序跟主虹是相反的。 由于每次反射均會損失一些光能量，因此霓的光亮度亦較 弱。兩次反射最強烈的反射角出現(xiàn)在 50°至 53°，所以副 虹位置在主虹之外。因為有兩次的反射，副虹的顏色次序跟 主虹反轉(zhuǎn)，外側(cè)為藍(lán)色，內(nèi)側(cè)為紅色。副虹其實一定跟隨主 虹存

10、在，只是因為它的光線強度較低，所以有時不被肉眼察 覺而已。蘇格蘭上空的雙重彩虹 1307 年時歐洲已有人提出 彩虹是由水滴對陽光的折射及反射而造成。笛卡爾在 1637 年發(fā)現(xiàn)水滴的大小不會影響光線的折射。他以玻璃球注入水 來進(jìn)行實驗，得出水對光的折射指數(shù)，用數(shù)學(xué)證明彩虹的主 虹是水點內(nèi)的反射造成，而副虹則是兩次反射造成。他準(zhǔn)確 計算出彩虹的角度，但未能解釋彩虹的七彩顏色。后來牛頓 以玻璃菱鏡展示把太陽光散射成彩色之后，關(guān)于彩虹的形成 的光學(xué)原理全部被發(fā)現(xiàn)。彩虹為什么總是彎曲的，原因一：光的波長決定光的彎曲程 度。事實上如果條件合適的話，可以看到整圈圓形的彩虹。彩虹的形成是太陽光射向空中的水珠經(jīng)

11、過折射T反射T折 射，后射向我們的眼睛所形成。不同顏色的太陽光束 經(jīng)過 上述過程形成彩虹的光束與原來光束的偏折角約180 - 42 =138 度。也就是說，若太陽光與地面水平，則觀看彩虹的仰 角約為 42 度。想象你看著東邊的彩虹，太陽在從背后的西 邊落下。白光穿越了大氣，向東通過了你的頭頂，碰到了從 暴風(fēng)雨落下的水滴。 當(dāng)一道光束碰到了水滴， 會有兩種可能： 一是光可能直接穿透過去，或者更有趣的是，它可能碰到水 滴的前緣，在進(jìn)入時水滴內(nèi)部產(chǎn)生彎曲，接著從水滴后端反 射回來，再從水滴前端離開，往我們這里折射出來。這就是 形成彩虹的光。 光穿越水滴時彎曲的程度， 端視光的波長 （即 顏色）而定一一紅色光的彎曲度最大， 橙色光與黃色光次之， 依此類推，彎曲最少的是紫色光。每種顏色各有特定的彎曲 角度，陽光中的紅色光，折射的角度是 42 度，藍(lán)色光的折 射角度只有 40 度，所以每種顏色在天空中出現(xiàn)的位置都不 同。若你用一條假想線，連接你的后腦勺和太陽，那么與這 條線呈 42 度夾角的地方，就是紅色所在的位置。這些不同 的位置勾勒出一個弧。既然藍(lán)色與假想線只呈 40 度夾角， 所以彩