雨后天空出現(xiàn)雙彩虹時，背后藏著這些光學原理，很多人都沒留意過

你說得對！雨后雙彩虹是大自然贈予我們的視覺奇觀，而它背后確實隱藏著精妙的光學原理。很多人只驚嘆于它的美麗，卻忽略了其中蘊含的科學奧秘。讓我們來揭開這層神秘的面紗：

核心原理：光的折射、反射與色散

彩虹的本質(zhì)是陽光在球形水滴中發(fā)生折射、反射（有時是多次反射），然后再次折射出水滴時，由于不同顏色的光折射率不同（色散現(xiàn)象）而被分離出來，形成光譜帶。

雙彩虹的構(gòu)成：

主虹（Primary Rainbow）：

• 形成過程： 陽光進入水滴頂部 → 發(fā)生第一次折射（色散開始）→ 在水滴后壁發(fā)生一次內(nèi)反射 → 從水滴底部射出時發(fā)生第二次折射（色散加劇）。
• 光學路徑： 折射（入）→ 一次反射 → 折射（出）。
• 顏色順序： 外紅內(nèi)紫。紅光折射角最小（約42°），紫光折射角最大（約40°）。觀察者看到的是以特定角度（約42°）從水滴射出的光。
• 亮度： 通常更亮、顏色更鮮艷。因為一次反射的光線能量損失相對較少，且路徑更“主流”。

副虹（Secondary Rainbow）：

• 形成過程： 陽光進入水滴底部 → 發(fā)生第一次折射（色散開始）→ 在水滴內(nèi)發(fā)生兩次內(nèi)反射 → 從水滴頂部射出時發(fā)生第二次折射（色散加劇）。
• 光學路徑： 折射（入）→ 兩次反射 → 折射（出）。
• 顏色順序： 外紫內(nèi)紅。這是雙彩虹最顯著的特征之一！原因在于兩次反射完全改變了光線的路徑。紅光在第二次折射時的出射角更大（約51°），紫光出射角更小（約53°）。因此，在天空中，紅光出現(xiàn)在內(nèi)側(cè)，紫光在外側(cè)。
• 亮度： 通常更暗、顏色更淡。原因有三：
  • 能量損失： 兩次反射意味著更多的光線能量被水滴吸收或散射掉了。
  • 光線分散： 兩次反射使光線在水滴內(nèi)傳播的路徑更長、更復雜，導致不同顏色的光分散得更開，降低了單位面積的光強。
  • 路徑重疊： 兩次反射的光線路徑不如一次反射的路徑那么集中和高效。

關(guān)鍵光學現(xiàn)象與細節(jié)：

色散： 這是彩虹顏色的來源。陽光（白光）由不同波長的光組成。當光從空氣進入水滴（或從水滴進入空氣）時，波長較短的光（如紫光、藍光）比波長較長的光（如紅光）折射得更厲害（即折射角更大）。這導致白光被分解成光譜。 全內(nèi)反射： 水滴內(nèi)部的光線到達水滴-空氣界面時，如果入射角大于臨界角，就會發(fā)生全內(nèi)反射（而不是折射出去）。這是形成彩虹反射的關(guān)鍵步驟。一次反射形成主虹，兩次反射形成副虹。 視角： 彩虹并非存在于天空中的某個固定位置。它是由無數(shù)個水滴以特定角度將特定顏色的光送入你的眼睛形成的。主虹出現(xiàn)在你視線與太陽光線夾角約42°的圓錐面上（紅在外），副虹則出現(xiàn)在約51°的圓錐面上（紫在外）。這也是為什么你移動時彩虹似乎也在移動，以及兩個人站在不同位置看到的彩虹其實是由不同的水滴群形成的。 亞歷山大暗帶： 這是雙彩虹之間那片明顯更暗的天空區(qū)域。它揭示了光學原理的精確性：

• 主虹（42°）下方的天空：這個區(qū)域的光線被水滴折射后，主要向下反射（進入地面方向），很少能到達觀察者的眼睛，所以相對較暗。
• 亞歷山大暗帶（42°-51°之間）：這個角度范圍內(nèi)的光線，在水滴內(nèi)經(jīng)過一次反射后，出射角小于42°，主要向下射向地面；而經(jīng)過兩次反射后，出射角大于51°，主要向上射向天空。因此，幾乎沒有光線能從這個角度范圍的水滴中直接射入觀察者的眼睛，導致這片天空顯得特別暗。
• 副虹（51°）上方的天空：這個區(qū)域的光線主要來自水滴的一次反射（向下）或沒有形成彩虹的散射光，所以亮度介于暗帶和主虹下方區(qū)域之間。

為什么很多人沒留意這些原理？

注意力在美感上： 彩虹的美麗和象征意義往往是最吸引人的，人們沉浸在視覺享受中，無暇思考背后的物理機制。 副虹不易觀察： 副虹比主虹暗很多，經(jīng)常被主虹的光芒掩蓋，或者因為大氣條件不夠理想（水滴不夠多、不夠均勻、背景光太亮）而看不見，導致很多人只見過單彩虹。 顏色順序的微妙： 對于不熟悉的人來說，主虹的“外紅內(nèi)紫”和副虹的“外紫內(nèi)紅”對比可能不夠明顯，尤其是在副虹較淡的情況下。 暗帶易被忽略： 亞歷山大暗帶需要觀察者有意去注意主副虹之間的區(qū)域，并與周圍天空亮度對比才能發(fā)現(xiàn)。很多人可能沒意識到這片暗區(qū)有其特定的物理成因。 對光學知識的缺乏： 折射、反射、色散、全內(nèi)反射這些概念需要一定的物理基礎(chǔ)才能理解。

總結(jié)：

雨后雙彩虹是自然界展示光學定律的絕佳范例。主虹（亮、外紅內(nèi)紫）由水滴內(nèi)一次反射形成，副虹（暗、外紫內(nèi)紅）由水滴內(nèi)兩次反射形成。兩者之間的亞歷山大暗帶是由于該角度范圍的光線無法有效地被水滴反射進入人眼造成的。色散現(xiàn)象（不同顏色光折射率不同）是彩虹呈現(xiàn)七彩光譜的根本原因。

下次再看到雙彩虹時，不妨仔細觀察一下：主虹的鮮艷和外紅內(nèi)紫，副虹的暗淡和外紫內(nèi)紅，以及它們之間那片神秘的暗區(qū)。理解了這些光學原理，你會更加驚嘆于大自然這個“光學實驗室”的精妙設(shè)計！