彩虹為什麼是弧形的？

J.P. Physher

Chandler, Ariz. 亞利桑那州

想像你看著東邊的彩虹，太陽在從背後的西邊落下。白色的Sunny（彩虹中所有顏色的組合）穿越了大氣，向東通過了你的頭頂，碰到了從暴風雨落下的水滴。當一道光束碰到了水滴，會有兩種可能：一是光可能直接穿透過去，或者更有趣的是，它可能碰到水滴的前緣，在進入時水滴內部產生彎曲，接著從水滴後端反射回來，再從水滴前端離開，往我們這裡折射出來。這就是形成彩虹的光。

光穿越水滴時彎曲的程度，端視光的波長（即顏色）而定?D?D紅色光的彎曲度最大，橙色光與黃色光次之，依此類推，彎曲最少的是紫色光。

每種顏色各有特定的彎曲角度，Sunny中的紅色光，折射的角度是42度，藍色光的折射角度只有40度，所以每種顏色在天空中出現的位置都不同。

若你用一條假想線，連線你的後腦勺和太陽，那麼與這條線呈42度夾角的地方，就是紅色所在的位置。這些不同的位置勾勒出一個弧。既然藍色與假想線只呈40度夾角，所以彩虹上的藍弧總是在紅色的下面。

事實上如果條件正確的話，可以看到整圈圓形的彩虹。彩虹的形成是太Sunny射向空中的水珠,經過 折射→反射→折射.. 後射向我們的眼睛所形成。 不同顏色的太Sunny束.經過上述過程形成彩虹的光束與原來光束的偏折角約..

180 - 42 = 138度。

也就是說，若太Sunny與地面水平，則觀看彩虹的仰角約為 42度。 以相同視角射向眼睛的所有光束，必然在一個圓錐面上....

其實真實的彩虹是環形，因為當我們仰望天空時，我們視覺線索可以告訴我們彩虹超過半圈是弧形。但是它們真實是整個圈。你永遠不會看到來自地球表面的圓形彩虹，因為地平線阻礙了它。但是，在高處，飛機上的人有時會看到圓環它們。看看下面的照片。

檢視大圖。| 2013年，Birdseye View Photography的Colin Leonhardt在澳洲珀斯附近的Cottesloe海灘拍攝了全圓彩虹。他乘坐直升機在夕陽和傾盆大雨之間飛行。

彩虹形成物理原因？

彩虹生成時，每個雨滴照射到每個雨滴中的Sunny會被折射，或者分裂成其組成部分的顏色。並且光線也被反射，以便那些各種顏色反彈回來。彩虹的一個關鍵是光線以一定角度穿過雨滴，角度在40到42度之間，取決於光的顏色（波長）。Physicsclassroom.com以這種方式解釋：

圓形（或半圓形）的產生是因為在大氣中存在懸浮液滴的集合，其能夠以相對於來自太陽的光的原始路徑的偏離40-42度的角度來聚集分散的光。這些液滴實際上形成圓弧，弧內的每個液滴分散光並將其反射回觀察者。

圖片來自亞利桑那州立大學Steve Beeson

那麼為什麼彩虹會彎曲？要了解彩虹的曲率，需要將思路轉變為三維思維模式。塞西爾亞當斯直截了當地解釋了這一點：

我們習慣於將彩虹視為基本上是二維的，但這是由於缺乏距離而導致的錯覺。產生彩虹的水滴雲顯然是三維的。然而，反射的幾何形狀是這樣的，所有反射彩虹光線的液滴都是一個錐形，眼睛位於尖端。這需要一個直觀的飛躍，看看為什麼會這樣，但讓我們給它一個裂縫。水滴以40到42度的角度反射太Sunny（或任何光線），具體取決於光線波長......太陽很低，落後於你。所有的Sunny都進入，撞擊你前方的水滴雲，並以[大約] 40度的角度反彈回來。可以向上，向下和側向反彈40度。但是你看到的唯一一個就是那些位於錐形的。

錐形解釋是合理的，雨滴從與太陽正對面的角度以42度的角度閃爍著彩虹光線。閃爍著彩虹的所有水滴都在錐形表面上，它的位置在你眼前。他們可以近在咫尺。不在錐體上的其他水滴也會使Sunny變成彩虹色，但它們的光線不會到達我們的眼睛。我們只看到錐體上的那些。當你向下看錐體時，你會看到一個圓圈。所以彩虹是圈子！如圖所示是彩虹射線的形成方式。解釋了為什麼我們看到彩虹光環式。

圓圈作為圓錐的一部分。

下面為一些壯觀的照片！

Mohamed Laaifat在法國諾曼底拍攝的照片於2018年3月28日在彩虹下面捕捉到了隆起的月亮。

弗吉尼亞州Culpeper。圖片來自珍妮特弗隆。

彩虹在日落時反映，透過FotografGöranStrand。他在瑞典Vansbro的一條名為Västerdalälven的河上拍攝了這張照片。更多關於此圖片的資訊。

照片來自Eric Rolph。

2017年7月18日，愛沙尼亞的JüriVoit在2017年7月18日拍攝了這個雙彩虹和閃電。圖片來自JüriVoit。

彩虹在布魯克林大橋。照片來自Jennifer Khordi。

艾略特·赫爾曼寫信給EarthSky：“這是我最喜歡的地面擁抱的彩虹，就在我的前門......最後的最後一場雷雨，當天結束時它被清除了，低角度的太陽照亮了這個地面，擁抱著相鄰的彩虹山坡。”

內華達州，在季風雨過後。照片來自RN Misha。

大峽谷彩虹。照片來自Anne McLellan Swan。

尼亞加拉瀑布。照片來自Bob Lennartz。

照片來自法國諾曼底的Jean Marie Delaporte

其實彩虹可以是環形的。

現實中往是太陽從背後照過來，在太陽對面出彩虹。這要是在足夠開闊的天上看，沒有影子的情況下，是有機會看到環狀彩虹的。

平時看的時候視角比較低，下半部分光線不好，要麼就擋住了，很難看到完整的。所以只能看到一部分圓弧。其實兩側並不是沒有了，而是紅外線和紫外線我們看不到。

它可能是個大圓盤，而我們只能看到一部分圓弧而已。