虹与霓的形成原理

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1、虹与霓的形成原理 虹是由于太阳光线被大气中的水滴反射和折射而形成 的一种自然现象。雨过天晴，空气中存在大量的水分，尘粒 减少，能见度提高， 这时太阳的对面天空中将出现彩色圆弧， 按一定顺序排列红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色。这 种圆弧有时能见到两个，红色在外、紫色在内，颜色鲜艳的 叫“虹”，红色在内、紫色在外，颜色较淡的叫“霓”。光 在球形介质内传播的反射、折射所引起的色散现象，接着讨 论霓虹的分布与太阳在天空中位置的关系。 虹霓是怎么回事呢？从实验测量的角度来说， 虹的仰角是 42 度，而霓则是 50 度；从唯象观察的角度讲，太阳光在水珠 中经过一次全反射的是虹，两次的是霓。 可见光分为

2、红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。可见光是电磁波， 而且只是电磁波连续光谱中极小的一部分。 太阳光是各种可见光的混合，呈白色，通过棱镜、水等的反 射折射时，出现色散现象。虹和霓就是太阳光通过大量小球 形水珠时，通过折射、反射后的色散现象。虹( rainbow )，即彩虹，是红色在外， 紫色在内。霓( secondary rainbow )，也称二级虹。霓的色彩正好与虹相反，即外圈是 紫色，内圈是红色。太阳光在水珠中经过一次全反射的是虹，两次的是霓。霓和 虹的不同点仅仅在于光线在雨点内产生二次内反射，因此光线通过雨滴后射到我们眼帘时，光弧色带就与虹正好相反 1、虹的形成：一束平行的太阳光沿图中方向射入

3、空中的一小水滴时，由于 折射而进入到水滴中且同时发生色散，然后经过一次反射再 从水滴射出。由于红光在水珠中的折射率最小使其出射光线 与入射光线成 42 度，而紫光在水珠中的折射率最大使其折 射光线与入射光线成 40 度。人眼按直线追溯射入眼中的光线射来的方向看到偏折较小 的红光出现在“虹”的最外侧，而折射率最大的紫光出现在 “虹”的内侧。2、霓的形成： 当一束太阳光射入一小水滴发生折射而在水滴内发生两次 全反射时，折射率小的红光的出射光线方向与入射方向成 50.6 度。折射率大的紫光的出射方向与入射方向成 53.6 度。 人眼根据视觉的直线特性而将观察到射出水滴后的光线在 空中形成外侧成紫色而

4、内侧成红色的彩色分布。由于太阳光经过水滴后发生两次反射的情况较发生一次反 射的光能量损失很多，因而“霓”的亮度比“虹”的亮度暗 得多，故又将其称作副虹，而且副虹位于主虹之上，副虹下 面才是主虹。主虹中颜色的分布为外红内紫，副虹的颜色分 布为外紫内红。人们通常观察到天空中的彩虹主要是主虹而 副虹因为太暗一般不容易被人们观察到。 太阳光在水珠内经过三次、四次反射也可以形成彩带而被称 为第三虹、第四虹等，但它们的色彩更暗淡，故一般很难看 得到。以空气中的微小水滴作为反射介质为例：虹：光线在入射水 滴的界面时，产生色散；再经过水滴与空气的界面时色散的 光线分别各发生一次全反射（反射点的位置有细微差异，

5、但 都是连续的） ，射出时（与原光线的方向向量夹角为钝角） 再经过水滴界面，再次色散。霓：与虹相似，但全反射了两 次。由于全反射吸收了部分光的能量，所以看起来要比虹暗 淡一些，色带方向也与虹相反。彩虹是因为阳光射到空中接近圆形的小水滴，造成色散及反 射而成。阳光射入水滴时会同时以不同角度入射，在水滴内 亦以不同的角度反射。当中以 40 至 42 度的反射最为强烈， 形成我们所见到的彩虹。形成这种反射时，阳光进入水滴， 先折射一次，然后在水滴的背面反射，最后离开水滴时再折 射一次。因为水对光有色散的作用，不同波长的光的折射率 有所不同，蓝光的折射角度比红光大。由于光在水滴内被反 射，所以观察者看

6、见的光谱是倒过来，红光在最上方，其他 颜色在下。其实只要空气中有水滴，而阳光正在观察者的背 后以低角度照射，便可能产生可以观察到的彩虹现象。彩虹 最常在下午，雨后刚转天晴时出现。这时空气内尘埃少而充 满小水滴，天空的一边因为仍有雨云而较暗。而观察者头上 或背后已没有云的遮挡而可见阳光，这样彩虹便会较容易被 看到。另一个经常可见到彩虹的地方是瀑布附近。在晴朗的 天气下背对阳光在空中洒水或喷洒水雾，亦可以人工制造彩 虹。空气里水滴的大小，决定了彩虹的色彩鲜艳程度和宽窄。空 气中的水滴大，虹就鲜艳，也比较窄；反之，水滴小，虹色 就淡，也比较宽。我们面对着太阳是看不到彩虹的，只有背 着太阳才能看到彩虹

7、，所以早晨的彩虹出现在西方，黄昏的 彩虹总在东方出现。可我们看不见，只有乘飞机从高空向下 看，才能见到。虹的出现与当时天气变化相联系，一般我们 从虹出现在天空中的位置可以推测当时将出现晴天或雨天。 东方出现虹时，本地是不大容易下雨的，而西方出现虹时， 本地下雨的可能性却很大。冬天的气温较低，在空中不容易 存在小水滴，下雨的机会也少，所以冬天一般不会有彩虹出 现。彩虹其实并非出现在半空中的特定位置。它是观察者看 见的一种光学现象，彩虹看起来的所在位置，会随著观察者 而改变。当观察者看到彩虹时，它的位置必定是在太阳的相 反方向。彩虹的拱以内的中央，其实是被水滴反射，放大了 的太阳影像。所以彩虹以内

8、的天空比彩虹以外的要亮。彩虹 拱形的正中心位置，刚好是观察者头部阴影的方向，虹的本 身则在观察者头部的影子与眼睛一线以上40至 42的位置。因此当太阳在空中高于 42 度时，彩虹的位置将在地平 线以下而看不见。这亦是为什么彩虹很少在中午出现的原 因。彩虹由一端至另一端，横跨84。以一般的35mm照相机，需要焦距为19mm以下的广角镜头才可以用单格把整条 彩虹拍下。 在飞机上， 会看见彩虹是原整的圆形而不是拱形， 而圆形彩虹的正中心则是飞机行进的方向。晚虹是一种罕见 的现象，在月光强烈的晚上可能出现。由于人类视觉在晚间 低光线的情况下难以分辨颜色，故此晚虹看起来好像是全白 色的。双彩虹，有时候会

9、见到两条彩虹同时出现，在平常的彩虹外 边出现同心，但较暗的副虹 （又称霓 ） 。副虹是阳光在水滴中 经两次反射而成。当阳光经过水滴时，它会被折射、反射后 再折射出来。在水滴内经过一次反射的光，便形成我们常见 的彩虹（主虹） 。若光线在水滴内进行了两次反射，便会产 生第二道彩虹（霓） 。霓的颜色排列次序跟主虹是相反的。 由于每次反射均会损失一些光能量，因此霓的光亮度亦较 弱。两次反射最强烈的反射角出现在 50至 53，所以副 虹位置在主虹之外。因为有两次的反射，副虹的颜色次序跟 主虹反转，外侧为蓝色，内侧为红色。副虹其实一定跟随主 虹存在，只是因为它的光线强度较低，所以有时不被肉眼察 觉而已。苏

10、格兰上空的双重彩虹 1307 年时欧洲已有人提出 彩虹是由水滴对阳光的折射及反射而造成。笛卡尔在 1637 年发现水滴的大小不会影响光线的折射。他以玻璃球注入水 来进行实验，得出水对光的折射指数，用数学证明彩虹的主 虹是水点内的反射造成，而副虹则是两次反射造成。他准确 计算出彩虹的角度，但未能解释彩虹的七彩颜色。后来牛顿 以玻璃菱镜展示把太阳光散射成彩色之后，关于彩虹的形成 的光学原理全部被发现。彩虹为什么总是弯曲的，原因一：光的波长决定光的弯曲程 度。事实上如果条件合适的话，可以看到整圈圆形的彩虹。彩虹的形成是太阳光射向空中的水珠经过折射T反射T折 射，后射向我们的眼睛所形成。不同颜色的太阳

11、光束 经过 上述过程形成彩虹的光束与原来光束的偏折角约180 - 42 =138 度。也就是说，若太阳光与地面水平，则观看彩虹的仰 角约为 42 度。想象你看着东边的彩虹，太阳在从背后的西 边落下。白光穿越了大气，向东通过了你的头顶，碰到了从 暴风雨落下的水滴。 当一道光束碰到了水滴， 会有两种可能： 一是光可能直接穿透过去，或者更有趣的是，它可能碰到水 滴的前缘，在进入时水滴内部产生弯曲，接着从水滴后端反 射回来，再从水滴前端离开，往我们这里折射出来。这就是 形成彩虹的光。 光穿越水滴时弯曲的程度， 端视光的波长 （即 颜色）而定一一红色光的弯曲度最大， 橙色光与黄色光次之， 依此类推，弯曲

12、最少的是紫色光。每种颜色各有特定的弯曲 角度，阳光中的红色光，折射的角度是 42 度，蓝色光的折 射角度只有 40 度，所以每种颜色在天空中出现的位置都不 同。若你用一条假想线，连接你的后脑勺和太阳，那么与这 条线呈 42 度夹角的地方，就是红色所在的位置。这些不同 的位置勾勒出一个弧。既然蓝色与假想线只呈 40 度夹角， 所以彩虹上的蓝弧总是在红色的下面。 原因二：与地球的 形状有很大的关系，彩虹之所以为弧型这当然与其形成有着 不可分割的关系，同样这也与地球的形状有很大的关系，由 于地球表面为一曲面而且还被厚厚的大气所覆盖，在雨后空 气中的水含量比平时高，当阳光照射入空气中的小水滴形成 了折射，同时由于地球表面的大气层为一弧面从而导致了阳 光在表面折射形成了我们所见到的弧形彩虹。第 7 页