一口气搞懂︱双彩虹，霓虹，微笑彩虹和月虹背后的物理学原理
李论科学2019-08-06 16:57
上篇文章我们说到了光和颜色的奥秘！这是理解彩虹背后物理学的第一步，因为彩虹的形成与光和颜色有很大的关系，有兴趣的朋友可以戳下方链接：一口气搞懂︱颜色的奥秘，物理学和生物学共同作用的结果。
早在中国唐朝，孔颖达就提出了“若云薄漏日，日照雨滴则虹生”，表明了虹是日光照射雨滴所产生的自然现象。
说到彩虹想必大家都很了解，也能说出个门道，例如：彩虹是光通过水的微小颗粒折射形成的，彩虹有7种颜色等等，但是这些说法都不完整，今天我就带大家详细了解下彩虹背后的物理学原理，还包括一些你可能不知道的彩虹：双彩虹，霓虹，倒置彩虹（微笑彩虹），月虹！
正如我提到的，彩虹与太阳光的颜色有很大关系，来自太阳的白光包含了我们已知的所有的颜色，甚至是我们看不到的颜色，毕竟帮助我们人类分辨颜色的视锥细胞只有三种类型，而一种拥有自生物界最复杂眼睛的螳螂虾，拥有16种视锥细胞，你可以想一下它们眼里的世界真的和我们不一样。
我们知道光即可以完成波的行为，也可以完成一个粒子拥有的行为，关于彩虹的形成我们需要解释光波的行为，包括反射、折射和衍射。我们先了解下太阳光为何拥有如此多的颜色？
太阳光为何在电磁波谱上表现得如此平滑
我们怎样理解太阳电磁波谱得平滑呢？我们知道太阳光属于电磁波，电磁波包括我们看得见的、看不见的，波长从数十米，拥有极低能量的无线电波到纳米波段，拥有极高能量的γ射线，波长的过度极其平缓，类似于我们常说的“无级变速”这种概念！所以太阳光由无数种波长的光组成，而不同的波长代表不同的颜色！这么一说，你可能会产生疑问？要是这样的话，是不是太阳光的颜色就多到数不尽了？
是的！确实数不尽，无数种颜色！我之前有篇文章分析过这个问题，有兴趣的朋友可以深入的了解下：你认为彩虹只有7种颜色吗？它可能有10^4、10^6甚至10^32种
至于我们为何只能看到有限的颜色，这就是上文说的，这是我们自己眼睛的问题！我们大概能分辨出1000万种颜色。下面我们就了解下光波的性质：
反射
当光线照射到物体表面并从物体表面反弹时，我们称其为反射。照射反射面的光线称为入射光线，被反射的光线称为反射光。反射角定律指出入射角和反射角是相等的。
反射又分为：镜面反射和漫反射两种。
镜面反射发生在光滑的表面，比如镜子，反射的光线都在同一方向上运动漫反射发生在粗糙的表面，反射光线分散在不同的方向。
折射
当波从一种介质传播到另一种介质时，方向会发生改变造成弯曲。这是因为波在不同的材料中有不同的速度和波长。
光线入射速度的改变会引起方向的改变，下图中光从空气到水的速度减慢，因为水是一种密度更大的物质，拥有较高的折射率，所以光线向法线（N）方向弯曲。看下图：
上图是我发现的解释光折射最好的例子，我们可以把小球比作光子，当第一个光子进入密度好的介质时，会发生减速，而后面的光子还在以同样的速度运行，这样就会发生错位，导致弯折！可以想象一下一排队伍的情形，很好理解！
根据斯涅尔定律，我们知道了光在不同介质中是如何弯曲的。
这个公式中的n是折射率，取决于材料性质。在我们的例子中n1是空气和n2是水。折射角度θ2小于入射角θ1。那么当光从水进入空气，反过来会发生什么?
上图中我们可以看到，会发生相反的情况，反射角会大于入射角，光线会远离法线。我们需记住的是：
从小密度到大密度介质，光线就向法线弯曲。从大密度到小密度介质，光线就会远离法线。每种颜色的光折射率是不同的，红光的折射率小，紫光的折射率大。
衍射
从上文中，我们已经了解到，当光波从一个反射面反射回来时，光波会改变方向；当光波从一种介质传递到另一种介质(折射)时，也会改变方向。还有第三种改变方向的方法，那就是衍射。
当一个波通过狭缝或在波传播的路径上绕过一个障碍物时，就会发生衍射。上图中，你可以看到水波的行为，光波与之非常相似，光波经过狭缝后也会弯曲。
当光通过狭缝时，较长的波比较短的波传播得范围更广。如果我们有一盏单色灯，它的光线经过狭缝后会分成明暗相间的条纹，如果我们有一盏白光灯，它的光线会分成彩色条纹，也就是我们所说的光谱。
通过上面的介绍，我们已经知道了光波的行为，现在我们就可以继续研究彩虹了，看看它们是如何形成的。
彩虹的形成
彩虹的形成是光波折射和反射的结合，并将阳光分散成一个连续的颜色分布。彩虹出现在雨后并不是巧合。水和光源是必不可少的两个要素，缺少一个都不会形成彩虹。
雨后，大气中有许多悬浮的小水滴，水滴是一种与周围空气光学密度不同的介质。水滴就充当了光的折射物。当光进入和离开每一个水滴时，光的路径就会发生偏差。
我们通常看到的彩虹叫做主彩虹。是光线通过水滴发生折射并在内部反射时形成的。实际上总共发生了三件事，两次折射和一次反射。首先是光线进入水滴时会发生一次折射，然后在水滴内部发生一次反射，最后是光线离开水滴时又发生一次折射。
下图，来自太阳的入射光线和射向观察者眼睛的光线之间的角度称为偏离角，对于红光与入射光的角度大约为42度。波长越短最终与入射光线的偏离角度越小，紫色大约是40度。这就是为什么我们在彩虹的顶部看到红色，在底部看到紫色。
我们从地面上看彩虹是一个拱，但实际上它是一个圆形。如果你从飞机上看彩虹，你可以看到整个圆形。弧内的每一个水滴都在反射和折射整个可见光光谱。你可以用洒水器自己在家创造一个彩虹，也可以在瀑布处看到彩虹。
要看到彩虹，必须背对着太阳。当太阳太高的时候，彩虹会在地平线以下。最好的观察时间是清晨和傍晚，当太阳接近地平线的时候。
关于彩虹一些有趣的事实：成千上万道彩虹、彩虹不是在一个固定的位置
成千上万条彩虹关于彩虹最有趣的事情是：雨后你看到的彩虹实际有成千上万道彩虹。你向左或向右移动一点点，你看到的将不是同一道彩虹，而是一条全新的彩虹。
彩虹不是在一个固定的位置彩虹不在天空中任何一个特定的位置。当你在移动的过程中，你会看到不同的雨滴，看到不同的彩虹。每个观测者都接收到来自不同雨滴的散射光，所以如果你周围有九个人，那么你们十个人就会看到十种不同的彩虹。
双重彩虹
你见过双重彩虹？我印象种真没有见过，可能是从未认真观察过吧，下次一定要注意下。上文中我们讨论过水滴内部的两次折射和一次反射。要出现双彩虹，水滴中需要有第二次反射，才能形成第二道彩虹。也就是两次折射，两次反射，而上层的那道彩虹称为霓虹！看下图：
造成虹与霓的光学原理，左上为霓，右上当出现霓虹时，由于经过了两次反射，霓虹的颜色分布正好和彩虹的相反。红色在底部，紫色在顶部。而且霓虹是第一道彩虹的两倍宽，但没有第一道那么明亮，这是因为经过两次的反射后会损失掉一部分光线，光线散布的区域更广。
两道彩虹之间的天空比其他的地方都要暗，在3世纪早期由亚历山大·阿佛洛狄首先描述这一现象，后来被称为亚历山大暗带。天空的一部分较暗。
倒置彩虹（微笑彩虹）
你知道天空有时会微笑吗？这就是我们常说的微笑彩虹。颠倒的彩虹被称为环天顶弧，这种现象在寒冷的气候中更常见。这些彩虹是由空气中的冰晶形成的。但它们不是真正的彩虹。环天顶弧是一种由阳光通过冰晶折射而产生的光学现象。
月虹
没错，晚上也会有彩虹，这个估计大部分没见过吧。虽说月亮不是初级光源，但它可是太阳光线的搬运工。所以要看到月亮上的彩虹，月亮必须要圆，而且要离地平线很近，天空还必须昏暗，所以要在雨后日出前2 - 3小时或日落后2 - 3小时有可能会看到月虹。
没想到一个小时候都感觉已将掌握的彩虹背后原来也包含这么多科学。
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