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高空看彩虹,真是長這樣?

前天北京的彩虹簡直完美,刷爆了蝌蚪君的朋友圈:

高空看彩虹,真是長這樣?


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但是這都是站在地面上的人看到的彩虹,網傳從高空上往下看,彩虹是這樣的:

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這是真的嗎?


還是讓我們補習一下中學物理吧。


在中學物理課上,有個光的色散實驗:取一個稜鏡,讓一束白光穿過狹縫射到稜鏡的一側面,通過稜鏡後,前進方向改變,在白色光屏上形成彩色光帶,順序是紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七種顏色。這與彩虹的顏色很相似。

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那麼,空氣中的「三稜鏡」是什麼呢?沒錯,就是小水滴。


當太陽光照射到空氣中的小水滴上,它們會像稜鏡一樣把白光分解成七種單色光,起到分光色散作用。

具體是如何實現的?

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陽光在水滴內的路徑


陽光從空氣這種媒質進入水這種媒質,發生一次折射,由於構成白光的各種單色光的折射率不同(紫光波長最短,其折射率最大,紅光波長較長,其折射率最小,其餘各色光則介乎其間),光線在小水滴內產生分光現象,各色光同時在小水滴繼續傳播,遇到水滴的另一界面時被反射回來,重新經過小水滴內部,出來時再一次發生折射回到空氣中。


這樣,陽光在小水滴中進行了兩次折射和一次全反射就被分解成紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七種單色光。當空氣中的小水滴數量很多時,陽光通過這些小水滴後射出來的光集中在一起,天空中美麗的彩虹就形成了。

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不管天氣如何,瀑布都將持續流動的溪水製造的薄霧反衝入空氣,且大氣層的飽和度持續推移。這就促成瀑布出色的攝影伴侶——彩虹的出現。


平時,我們看到的多數是一條彩虹,視角(從地面至虹頂的角度)約42°。有時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(又叫霓)。

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虹與霓


主虹是內紫外紅,副虹是內紅外紫。霓的視角大約51°。它的成因與主虹基本相同,是陽光在小雨滴中經過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。

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形成虹與霓的微觀及宏觀原理,左上為霓在水滴中的兩次反射和兩次折射,右上為虹在水滴中的兩次折射和一次全反射。


比起彩虹,霧虹十分罕見,因為這種現象必須在特定條件都齊全的情況下才出現。一方面,光源必須在觀測者的後方且低於地平線。同時,觀測者後方的霧必須很薄,這樣陽光才能照耀到前方更厚的霧。


關鍵部分來了——在地平面上,我們看到的主虹與霓是半圓形的,那是因為它們下半部分被地面遮住了。若是站在高山頂上,就能看到主虹與霓的大部分,而如果在飛機艙中向下看,就能看到主虹與霓的全貌——一個完整的圓環。

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但是無論如何,我們都不可能看到「彩虹色的天空」,因為經過水滴折反射之後的光,需要在特定角度才能看到。如果在高空距離彩虹太近,不但看不到彩虹色的天,反而連彩虹環都看不到了。


真相


「彩虹色的天空」是不會出現的!即使在高空,最多也只能看到完整的彩虹環。


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