彩虹：形成、颜色和弧的类型详解

彩虹颜色的光学现象

彩虹是一种光学和气象现象，表现为天空中一系列颜色形成弧状。这种现象主要发生在太阳的白光穿过大气中的水滴时，分解为七种颜色（红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫）。

白光的性质及其波长

太阳发出的白光的性质实际上是可见光所有波长的混合。每种颜色对应特定的波长：

• 红色: 约620-750 nm
• 橙色: 约590-620 nm
• 黄色: 约570-590 nm
• 绿色: 约495-570 nm
• 蓝色: 约450-495 nm
• 靛色: 约425-450 nm
• 紫色: 约380-425 nm

牛顿对七种颜色的起源解释

彩虹的七种颜色由艾萨克·牛顿（1643-1727）在17世纪推广。他在用棱镜进行实验时观察到白光分解成颜色光谱。尽管这个光谱是连续的，颜色之间的过渡是平滑的，但牛顿受到文化和音乐概念的启发，如音阶的七个音符，选择将其分成七个不同的部分。

彩虹形成所涉及的物理过程

初始折射

折射: 当白光（如太阳光）进入水滴时，它会改变方向，这种现象称为折射。光在水中比在空气中传播得慢，导致在水滴内速度和方向发生变化。

颜色的色散

色散: 白光由多个波长组成，每个波长对应不同的颜色（红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫）。进入水滴后，不同波长由于在水中的传播速度不同，以不同的角度折射。这导致颜色的分离，这一过程称为色散。

全内反射

全内反射: 光被折射和色散后，到达水滴的对面表面。如果光的入射角大于临界角，光将在水滴内部完全反射（全内反射）。

二次折射和光谱增强

二次折射: 反射后，光再次射向水滴的出口，在那里经历二次折射。这导致颜色的进一步分离，增强了色散效果。

观察彩虹所需的条件

要使彩虹出现，大气中需要有悬浮的水滴，无论是雨、雾还是薄雾的形式。 此外，太阳必须低悬在地平线上（通常是清晨或傍晚），观察者必须位于太阳和水滴之间，背对太阳。

对于主虹，典型的观察角度约为与太阳相反方向成42度。 换句话说，如果从太阳到观察者画一条假想线，彩虹在这条线上方42度角处形成。

N.B. : 42度角是一个平均值，根据水的折射率和光的波长而变化。 波长较长的红光比紫光偏折稍大，这解释了为什么红色位于弧的外侧。

发光弧

发光弧的类型

• 主虹是最著名和最明亮的。它显示出七种不同颜色的光谱——红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫——弧的外侧为红色，内侧为紫色。它由水滴内光的单次内部反射形成。
• 副虹较罕见且较暗淡，出现在主弧上方。它由两次内部反射产生，这反转了颜色的顺序：紫色在外侧，红色在内侧。其强度约为主虹的一半。
• 露水弧不太常见，当太阳光在草或蜘蛛网上的露珠上反射时在地面水平形成。它通常非常暗淡，甚至白色。月虹由月光穿过水滴产生；它非常微弱，肉眼常呈白色，但长时间曝光照片可以显示其颜色。
• 超数弧是一种更微妙的现象，表现为位于主弧内侧的额外粉彩色层。它源于光波间的干涉效应，需要非常均匀大小的水滴。雾虹在由非常小的水滴组成的浓雾中形成；它呈现为白色弧或颜色非常淡，通常宽阔而弥散。
• 红色弧或单色弧是一种罕见的现象，发生在太阳非常低在地平线上（日出或日落时）。光然后穿过厚厚的大气层，散射短波长（蓝、绿），只留下红色。弧完全呈现红色，提供令人震撼的景象。
• 单色彩虹仅以单一颜色形成，通常在特定条件下，如可以在月球周围观察到的发光弧，称为月虹。

N.B. :
这些不同弧的可见性和强度取决于多个因素：水滴大小、太阳相对于地平线的角度、大气纯净度和观察者灵敏度。副虹、超数弧和单色弧更罕见，需要特别有利的光学条件。

不同类型发光弧的表格

N.B. :
彩虹的强度和可见性取决于水滴大小、太阳角度和大气纯净度。副虹和超数弧较罕见，需要特定的光学条件。