彩虹“套娃”，看到算你走运
2021/7/17 10:00:00 中国科普博览
本文来自科普博览大家族科学大院(ID:kexuedayuan)
进入七月份，各地多多少少都有暴雨，这意味着见到彩虹的机会也更多了。随便一搜就能看到出现彩虹的新闻。
(图片来源：veer图库)
但一条彩虹不稀奇，你见过成对的彩虹，甚至彩虹“套娃”吗？
Part.1
突击检查初中物理，彩虹是怎么形成的？
首先我们来复习一下彩虹的形成原理。彩虹，简称虹，是一种常见的光学现象，有七种颜色(红，橙，黄，绿，青，蓝，紫)。
在中国古代，人们对彩虹就已经有了初步的认识。北宋的科学家沈括就曾在《梦溪笔谈·虹》中引用了孙彦先(编者注：孙思恭，字彦先，北宋人，精通历数之学)对彩虹形成的描述，“虹乃雨中日影也，日照雨而有之”，指出彩虹是雨止初晴的自然现象。
沈括与梦溪笔谈
虽然那时古人们就认识到彩虹必须要雨和阳光才会出现，但是对其中的原理并不是很清楚。
牛顿的色散实验(图片来源：veer图库)
直到17世纪，牛顿发现了光的色散，彩虹形成的原理才被大家所知晓：太阳光照射雨滴，由于不同波长的光在雨滴中的折射率不同，会使不同波长的光分开，形成彩虹。
Part.2
哪里有彩虹？请告诉周杰伦
按理说只要下雨，有太阳，就会出现彩虹，但实际并不是每次下雨我们都能有幸看到。因为这不仅与天气有关，还与观察角度有关。
观测彩虹时需站在与太阳的同侧，也就是背对着太阳才能观察到彩虹。如果面对着太阳，光线穿过水滴发生的两次折射，会损失掉一部分光。此时正对着的太阳光是无损进入眼睛的，相比之下进入眼睛的彩虹光线很弱，信噪比太低，使得视网膜感应不到彩虹，所以当面对太阳时，我们通常是无法观察到彩虹的。
(图片来源：作者提供)
反之，如果我们背对着太阳，太阳光射入水滴中，在水滴中光线经过两次折射和一次反射，发生色散形成彩虹进入人的眼睛。虽然这个过程会损失一部分光，但背景光是太阳光经远处的云层和天空散射回来的光，相对来讲比较弱，这时信噪比高，彩虹在视网膜上能够清晰成像，就可以清楚地看到彩虹。
(图片来源：veer图库)
此外，还有其他的因素会影响我们欣赏到的彩虹形状。平时我们看见的彩虹都是半圆的，但实际上彩虹是一个完整的圆，因为彩虹本来就是太阳经过水滴所成的像。
彩虹的位置与反日点有关。反日点是以观察点为准，与太阳和观察点成180°的点。彩虹则是以反日点为中心的圆环，通常我们在地平面上观察彩虹的时候，反日点都在地平线以下，地面遮住了彩虹的下半部分，所以我们只能看见半圆的虹桥。
(图片来源：作者提供)
要想看见完整的彩虹，有两个办法。一是提高观察点的高度，这样反日点的高度就会升高。所以有时我们在飞机上能看见完整圆环彩虹。同理，站在足够高的地方，如山顶，也能观察到完整的圆环彩虹。
(图片来源：作者提供)
(图片来源：veer图库)
二是降低太阳仰角。在傍晚的时候，太阳逐渐与地平线平行，这时反日点也在慢慢往上升，这样就能看见大部分的彩虹了。
当太阳的仰角大于42度时，这时彩虹完全在地平线以下，这时即使天气很好，刚刚下完雨，观察者也观察不到任何彩虹了。所以中午的时候，是不可能观察到彩虹的，一般在上午九点左右和下午四点左右，这时太阳光光强足够，太阳的仰角也合适，这时是观察彩虹的最佳时机。
(图片来源：作者提供)
Part.3
彩虹也会“套娃”
(图片来源：veer图库)
双彩虹是多重彩虹的一种，指在原彩虹的外围出现一条直径更大的同心彩虹。内层的彩虹称为主虹，颜色较亮，外层的彩虹称为副虹，颜色较暗。也有的称内层的为虹，外层的为霓，这也是“霓虹”这个词语的原意，即表示双彩虹。
那么双彩虹是怎么产生的？上面说到我们能看见彩虹，是因为太阳光线射入水滴中，经过了折射—反射—折射，然后进入我们的眼睛，但这只是太阳光线在水滴中传播的一种方式。如果太阳光在水滴表面某些特殊位置上射入水滴时，能够满足光线在水滴中发生两次反射两次折射，这时就会出现第二种成像途径——太阳经过水滴成像，在水滴中发生色散，这就形成了第二条彩虹。
(图片来源：作者提供)
细心的同学可能会发现，双彩虹的两条彩虹的颜色顺序是相反的，主虹的是紫色在下，红色在上，副虹也即是霓，则是红色在下，紫色在上。这与反射的次数有关，在介质中，红光的折射率比紫光要小，正常的经过色散后，红色在上，紫色在下。每在界面处经过一次反射，颜色的顺序就会发生翻转，副虹霓的形成的反射次数比主虹要多一次，所以主虹和霓的颜色顺序恰好相反。
此外，霓的亮度也比主虹的要弱很多，这是因为光在经过水—空气界面时，折射的同时也会发生发射，当光折射进入和射出水滴时都有一部分光损失掉了。而在水滴里反射时，也会损失掉一部分光。而副虹霓比主虹要多一次反射，损失的能量也更多，所以霓的亮度不如主虹。
(图片来源：veer图库)
那么有没有可能两条彩虹的亮度相同呢？答案是肯定的。相对于空气，水滴是光密介质，当入射角满足一定条件时，会发生全反射，这时光不会损耗。要满足过程中所有反射都是全反射是十分苛刻的，所以亮度相同的双彩虹，只有在实验室中才可以观察到。
有的同学会问，那么什么时候才能满足双彩虹所必须的两次反射条件呢？其实，只要有彩虹的出现，就一定有双彩虹。因为太阳光线是以近似平行光的形式照射水滴的，而水滴表面是近似球面的，在水滴表面总会有某些位置的入射光线能够满足在水滴中反射两次。至于为什么我们通常只能看到一条彩虹，主要是与天气有关，副虹霓的亮度比主虹要暗很多，如果天气不好，是很难看见副虹的。
Part.4
欣赏多重彩虹，请派相机出马
还能有更高重次的彩虹吗？比如三重？四重？
答案是有的，双重彩虹是光线在水滴中发生了两次反射，同理，三重彩虹是光线在水滴中反射了三次，四重就是四次。但由于多次反射，多重彩虹的强度逐渐递减，而且根据光学的几何传播原理，高阶彩虹的成像点不在太阳对立面，反而靠近太阳，因而极为罕见。自1700年以来，只有四五次文字记载的多重彩虹的目击事件。
虽然人眼对光的感知能力比较低，但是现在人们可以通过动态范围更大的相机，加上后期处理，就可以捕捉到多重彩虹的奇妙景象。在2011年，第一次有人拍摄到了自然界中的四重彩虹，第三重和第四重彩虹与太阳同侧。
经过处理后得到的第三重和第四重彩虹(图片来源：《Applied Optics》)
大自然总是在随机事件中产生必然的结果。每次雨过天晴彩虹出现时，实际上天空中就暗藏着多重彩虹了，只是我们很难察觉到，得靠天时地利，以及设备的辅助了。
说了这么多，不知道把你绕晕了没？没关系，反正夏天看到彩虹的机会有很多，雨后抬头注意一下，说不定就能发现奇妙的缤纷天空!
你见过双彩虹甚至多重彩虹吗？在评论里秀秀你的好运吧!
参考文献：
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[4]王思慧, 王宁悦. 多重彩虹演示实验[J]. 大学物理, 2012, 31(10): 22-22
[5]计云. 中国今年神奇天象[N]. 中国国家地理, 2020 (10).
[6]Theusner, Michael. Photographic observation of a natural fourth-order rainbow[J]. Applied Optics, 2011, 50(28):F129.
作者单位：中国科学院光电技术研究所
中国科学院成都分院
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