“套娃”彩虹是怎样形成的

唐奥

雨水多的季节，见到彩虹的机会也就多了。见到一道彩虹并不稀奇，可你见过成对的彩虹，甚至彩虹“套娃”吗？

什么时候可以看到彩虹

在中国古代，人们对彩虹就已经有了初步的认识。北宋科学家沈括在《梦溪笔谈》中引用了孙彦先对彩虹形成的描述：“虹乃雨中日影也，日照雨而有之。”指出彩虹是雨止初晴时的自然现象。

虽然那时人们就认识到，必须要满足雨和阳光两个条件，彩虹才会出现，但是对其中的原理并不是很清楚。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。

按理说只要下雨、有阳光，就会出现彩虹，但实际并不是每次都能看到彩虹，因为彩虹的出现不仅与天气有关，还与观察角度有关。我们只有背对着太阳，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和一次反射，会损失掉一部分光。此时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，使得視网膜感应不到彩虹。所以，当面对太阳时，我们通常是无法观察到彩虹的。

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。虽然这个过程同样会损失一部分光，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，我们就可以清楚地看到彩虹。

此外，还有其他因素会影响我们所看到的彩虹形状。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。

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。比如我们在飞机上有时就能看见完整的圆环彩虹。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。二是降低太阳仰角。在傍晚的时候，太阳逐渐下降，接近地平线，这时反日点也在慢慢上升，这样就能看见大部分的彩虹了。

当太阳的仰角大于42°时，彩虹完全在地平线以下，这时即使天气很好，刚刚下过雨，观察者也观察不到任何彩虹。所以，中午的时候是不可能观察到彩虹的，一般在上午 9点左右和下午4点左右，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。

双彩虹与多重彩虹

双彩虹是多重彩虹的一种，指在原彩虹的外围出现一道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。也有人称内层的为虹，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呢？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和两次折射，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，这就形成了第二道彩虹。

细心的观察者可能会发现，双彩虹的颜色顺序是相反的。主虹的颜色是紫色在下、红色在上，副虹则是红色在下、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，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，形成副虹的反射次数比主虹要多一次，所以主虹和副虹的颜色顺序相反。

此外，副虹的亮度也比主虹弱得多，这是因为光在经过水——空气界面时，折射的同时也会发生反射，当光折射进入和射出水滴时都有一部分光损失掉了。在水滴里反射时，也会损失掉一部分光。副虹比主虹要多一次反射，损失的能量也更多，所以副虹的亮度不如主虹。

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，条件是十分苛刻的，所以亮度相同的双彩虹只有在实验室中才可以观察到。

也许有人会问，什么时候才能满足双彩虹所必需的两次反射条件呢？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道彩虹，主要是与天气有关，副虹的亮度比主虹要暗很多，如果天气不好，是很难看见副虹的。

还能有更高重次，比如三重、四重彩虹吗？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，四重彩虹就是反射了四次。由于多次反射，多重彩虹的强度逐级递减，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。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位于太阳同侧。

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，只是我们很难察觉罢了。

（刘谊人摘自《百科知识》2021年第9期）