“赤橙黄绿青蓝紫,谁持彩练在人间”,虹霓现象是大气中的水滴对阳光折射、色散和全反射所产生的综合效应。当雨后初晴条件具备时,我们背对着太阳可以看到天空中有两个弓形的环形。里面的叫虹,它比较明亮,外侧为红色,内侧为紫色;外面的叫霓,它颜色较淡,且颜色的排列次序恰好与虹相反。若是在飞行的飞机上观察,虹和霓可能是完整的圆环,圆心位于观察者的阴影方向上。
水平射来的阳光投射到大气中的某一雨滴上时,会发生多次反射和折射,光线越来越暗,其中跟虹有关的是第三次折射,与霓有关的是第四次折射。法国科学家笛卡儿对其中的数千条光线做细致的分析和计算后证明:如果某种颜色的光入射到一点其偏向最大,那么,与之颜色相同的所有其他光线只要投射到雨滴上此点的附近,它们的光路就与前者极为相近。因此,每一种颜色的光都按这种颜色的最大偏向方向强烈地出射。在太阳光中,如图2所示,红光的最大偏向角是138°,紫光的最大偏向角是140°;其他色光的偏向角介于两者之间。
如图3所示,平行白光射到水滴上,从与入射方向成138°的方向上射出的光,不都是红色光,但红色光较强,显示为红色,同理,从与入射方向成140°的方向上射出的光,显示为紫色,因此,观察者看到由紫光到红、由内向外排列的七色彩虹。
另外,由于太阳升得越高、位置越大,虹的可见部分就会越小,因而处于地面上的人一般只能在上午或下午看到弓形的虹。但对于飞行员来说,彩虹不仅是一种常见的现象,而且有时还会看到圆形的虹。当然,彩虹现象也可以人工产生。在上午,你若含一口清水沿阳光方向喷去,会发现在水雾中有短暂的彩虹发生,笔者出外游玩时就曾见过瀑布上映“着双虹”。
霓是阳光在雨滴中的两次反射后形成的,由于紫光的偏向角比红光大,所以,霓中的紫光偏向的陡度比红光大,看起来内侧是红色、而外侧则为紫色(这里不详述)。
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