俗话说“不经历风雨,怎能见彩虹”,七色的彩虹总是出现在雨过天晴之后。
不管我们看到的彩虹大或小、远或近,它们都有一个共同点,那就是只有一段弧形。
但如果从飞机上向下看,或者是在足够高的地方,你会惊奇地发现,彩虹实际上是一个圆,它的另一端并没有消失在地平线下,而是完整地闭合着,形成一个完美的圆环。可为什么我们在地面无论怎么看,都只能看到一个半圆圆弧?彩虹的形成彩虹之所以出现在雨后,是因为这时的空气中尘埃较少,而拥有较多的水珠,空气中漂浮的密集水珠是形成彩虹的必要条件。
当太阳光以不同角度射入接近圆形的小水珠,由于空气与水的折射率不同,阳光会在进入水珠时被折射。折射后改变了方向的光线会来到水珠的另一侧,并在水珠壁上发生反射。反射光会从水珠朝太阳的一面射出,这时还会发生一次折射,光线这才进入我们的眼睛。经过水珠的两次折射、一次反射,阳光被散射出一条“红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫”组成的弧形光带。
这就形成了美丽的彩虹!由于光线进出水珠的方向相反,因此我们只有背对着太阳才能看见彩虹。观测角度
至于为什么我们只能看到一段弧形,则要说到观测角度的问题。
要想看到彩虹,我们必须与彩虹、太阳形成一个大约为42°的夹角。
这是因为大量的平行光进入水珠,从角度为42°这个方向散射出来的光是最多的,而其余角度的光线很分散,不容易观察到。这个角度也被叫做“彩虹角”,我们看到的彩虹都来自这个角度散射的光线。
太阳光基本上属于平行光,空中满足这个42°角的水珠不会只有一个位置,而是我们面前一个圆形的范围,这个圆形与我们的眼睛形成一个84°的圆锥,这个圆形上每一个水滴都能让阳光以42°角散射进我们的眼睛。
正因为这个角度关系,彩虹都很短暂,因为地球的转动这个“彩虹角”转瞬即逝,并且我们也永远追不上彩虹,毕竟错过这个角度彩虹就消失了。
因此彩虹一直都是圆的,只是由于我们站在地面,只有一个弧形范围的水珠能满足这个42°角,我们也可以理解为这个圆的另一部分在地平面以下。
从理论上讲,只要我们站得够高,让太阳、眼睛以及彩虹的圆心的连线形成一条直线,就有机会看到一个完整的圆形彩虹,比如在飞机上或是在峡谷边上,但这种机会太渺茫了。
正因为如此,我们通常能看到的就只有半圆的弧形彩虹了。
此外,还有一个因素也可能导致彩虹的“不完整”,那就是空气中的水分分布。一般空气中水分最多的区域是在云层下方,这意味着有些区域并没有形成彩虹的水珠。即使有,也可能因为密度太小而无法散射出明显的七种颜色,所以有时候看到的彩虹就只有一小段了。