星空万象

南方的悠扬的夏日里，总会在不经意间邂逅一场“太阳雨”，正如刘禹锡在《竹枝词》中描写的那样，“东边日出西边雨”。随后出现的便是让街边孩童兴奋不已的彩虹。我们惊讶于它多彩的颜色，好似绸缎横跨在地平线的两端，讶异之余，更想知道其背后的原理，也想留住这一抹“独”属于夏日的美妙。

彩虹是什么？

彩虹，本质上是大气中的一种光学现象，主要是由太阳光的色散作用引起的。从表面上看，太阳光好像是白光，但实际上，是由于太阳光中不同颜色的光重合在一起而呈现为白色。当我们用一个三棱镜将光“散开”，就能观察到太阳光经过棱镜后被分散成一条彩色的光带，顺序是红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫这七种颜色。如果手边没有棱镜的话，可以参考电视剧《寻秦记》中的一个片段，主角项少龙想求助杀手善柔，作为交换条件善柔要求拿到天上的彩虹，项少龙利用现代智慧拿出三棱镜折射一道彩虹在善柔手中(图1)，利用的就是上述原理。

图1 项少龙利用三棱镜在善柔手中折射一道“彩虹”

彩虹是如何形成的？

然而，空气中是不存在光的色散时所要用到的“三棱镜”的，太阳光又是如何形成彩虹的呢？这是因为空气中是有一定水分的，大部分时候空气中的水分以气态水的形式存在，而当下过雨后，一部分水以小液滴的形式飘浮在空气中，当太阳光照射到小液滴上时，这些小液滴就充当起了一个个“三棱镜”的角色，它们将白光分解为上文提及到的七种单色光。

具体的实现过程是这样的(见图2)：首先太阳光从空气射入小液滴，由于太阳光传播的媒介发生了改变，此时会发生一次折射。而组成太阳光的各单色光的折射率不同，其中红光的折射率最小紫光的折射率最大，其余各色光介于两者之间。折射后太阳光产生分光并继续在液滴内传播，遇到液滴的另一界面时被反射回到液滴内部。当再一次遇到液滴的界面时，此光束就以彩色光带的形式再一次被折射回到空气中。由于空气中液滴的数量众多，经过折射和反射的彩色光带集中在一起，就形成了天空中的彩虹。

图2 彩虹形成的原理 (图源：维基百科)

双虹是怎么形成的？

有的时候，我们会在天空中观察到双彩虹出现的胜景，比如图3中的情形。古籍中也对此有所记载，《尔雅·释天》中写道：“虹双出,色鲜盛者为雄,雄曰虹。暗者为雌,雌曰霓。”在图3中，可以发现双虹中外侧的彩虹颜色要比内侧彩虹的颜色稍微暗淡一些，我们称外侧的彩虹为副虹，也就是古语中的“霓”，内侧色彩更为鲜艳的彩虹被成为主虹，也就是古语中的“虹”。主虹和副虹之间较暗的区域被称为“亚历山大带”。

图3在清华大学紫荆操场拍摄到的“双虹”

此外，通过比较主虹和副虹，可以发现它们存在另一个特征，即两者的颜色排布是正好相反的。内侧的主虹是红光在最外层，紫光在最内层；而外侧的副虹则正好相反，红光在最内层，紫光在最外层。

那么双虹，或者更专业的说法——霓虹，是怎么形成的？为什么两条彩色条带的排布正好相反呢？具体的原理我们可以参见图4。

图4 “双虹”形成的原理 (图源：维基百科)

主虹的形成过程我们已经在前文进行了说明，在图4中太阳光经过1次液滴内部的光的折射、1次反射以及第二次的折射过程形成了主虹；而副虹则是比主虹更为复杂，太阳光通过折射进入液滴后，在液滴内部进行了2次反射，最后才通过第二次的折射进入了空气中形成副虹。由于副虹比主虹多经历了一次反射，所以其太阳光能量有所减弱，且副虹散布的空间会更为宽广，故副虹的颜色会比主虹的更为暗淡一些。

至于主虹和副虹的颜色排布相反，则是因为红光的折射率最小，因而经过两次反射和两次折射后偏离的角度是所有单色光中最小的，因而红光会出现在副虹的内侧，与之对应地，紫光会出现在副虹的外侧。

实际上，所有的彩虹都是双虹，但由于副虹的光线强度总是弱于主虹，大多时候因为副虹光线太弱而无法为肉眼所观察到。

有的读者可能会问，既然太阳光能在液滴内部经过两次反射形成“霓虹”，那么是否有可能经过三次、四次乃至更多的反射形成对应数量的彩虹条带呢？答案是肯定的，但由于在实际的观测中，太阳光在液滴中经过三次及以上的反射后，其能量已经非常微弱了，因而它们的色彩也更为暗淡，很多时候我们是无法观察到的。

到此为止，我们介绍了太阳光的色散过程、彩虹形成的原理以及霓虹形成的原因，介于篇幅的问题，暂时不再对更多的内容进行解析，如若有兴趣，可在公众号留言区阐述你想问的更多科学问题，我们可以一同进行探讨。

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