彩虹，又稱天弓、天虹、絳[jiàng]等，簡稱虹，是一種大氣光學(xué)現(xiàn)象，當(dāng)太陽光照射到半空中的水滴，光線被折射及反射，在天空上形成拱形的綠色野生七彩光譜，由外圈至內(nèi)圈呈紅、橙、黃、綠、藍、靛[diàn]、紫七種顏色。事實上彩虹有無數(shù)種顏色，比如，在紅色和橙色之間還有許多種細微差別的顏色，但為了簡便起見，通常只用七種顏色作為區(qū)別。
很多人認為只有雨后才能出現(xiàn)彩虹，其實并不全面。在晴朗天氣條件下，背對陽光的瀑布附近、噴水池上方等區(qū)域可能觀測到彩虹現(xiàn)象。此外，棱鏡折射光線時也可能出現(xiàn)彩虹。也就是說只要空氣中存在有形成彩虹的條件，就可能出現(xiàn)彩虹。
彩虹簡史
概述
彩虹的歷史和科學(xué)一樣古老。古希臘哲學(xué)家曾試圖描述彩虹，亞里士多德是第一個將彩虹完全納入物理學(xué)家研究的現(xiàn)象的人。陽光反射在云層中、光線的入射、彩虹的圓形形狀的原因、無限深度的光學(xué)效應(yīng)等等，這些問題引起了諸多學(xué)者的研究興趣，他們用科學(xué)和煉金術(shù)，理性和感性的混合來研究彩虹。從17世紀起，人們將彩虹作為一種物理現(xiàn)象進行嚴格的量化研究。光學(xué)家托馬斯?楊在1803年寫道：
揭開彩虹神秘的面紗
第一個嘗試合理解釋彩虹外觀的人可能是亞里士多德。在他的《氣象學(xué)》第三卷中寫道：“彩虹永遠不會形成一個完整的圓，也不會形成任何大于半圓的部分。在日落和日出時，圓最小，而線段最大;當(dāng)太陽升起時，圓越大，線段越小。秋分后的白天較短，在一天中的每一個小時都能看到春分，在夏天則不在正午左右。同時出現(xiàn)的彩虹不會超過兩條。它們都是三色的;這兩種顏色都是相同的，它們的數(shù)量也是相同的，但在外層彩虹中，它們的顏色較暗，位置顛倒了。在內(nèi)部彩虹中，第一個和最大的波段是紅色的;在外面的彩虹中，最接近這一個和最小的帶是相同的顏色:其他的帶根據(jù)相同的原則對應(yīng)。”亞里士多德觀察到了外層顏色顛倒的“彩虹”，也是我們今天所說的“霓”。同時，在亞里士多德的描述中，彩虹只有三種顏色;這種解釋被接受了很長一段時間，與微妙的數(shù)字學(xué)差異將三種顏色與三位一體聯(lián)系起來。不僅如此，亞里士多德超出了對彩虹表面現(xiàn)象的觀察，還嘗試解釋了彩虹外觀形成的原理。他提出，彩虹實際上是云層中陽光的一種不同尋常的反射。光以固定角度反射，產(chǎn)生“彩虹射線”的圓錐形。因此，亞里斯多德正確地解釋了弓的圓形形狀，并認為它不是在天空中具有確定位置的實物，而是一組相同方向的光線，沿該方向強烈地散射到觀察者的眼睛中。
到13世紀，阿爾伯特·馬格努斯（Albertus Magnus，1206-1280）在他的《天雨》的第二十八章中提出，彩虹的形成是由于單個雨滴，而不是整個云層，彩虹的形成不僅是由于一個簡單的凸面反射，也由于折射。因此，為了解釋這一現(xiàn)象，他引入了光在水滴上的“反射”和“折射”，盡管人們認為只有水滴內(nèi)表面的反射才能產(chǎn)生彩色弧形。
與此同時，英國哲學(xué)家羅杰·培根（Roger Bacon）擴展了羅伯特·格羅斯泰斯特(約1175-1253年)對光的研究。利用星盤，他試圖測量入射陽光與彩虹主弧和次弧漫射光之間的夾角，獲得范圍在130 - 138之間的值。在他的實驗中，他分析了光線通過晶體和水滴的過程。
不僅如此，1266年，羅杰·培根還測量出了彩虹射線和單射陽光形成的角度。他測得的角度約為42°。霓（即副虹）在空中大約高8°。今天，這些角度通常是從相反的方向測量的——這樣我們可以測量太陽光線方向上的總變化。因此，主虹的角度為180°減去42°即138°，稱為“彩虹角”（the rainbow angle）。而副虹的角度是130度。
14世紀初，德國僧侶弗萊堡修士西奧多里克（Theodoric Freiberg）提出，彩虹現(xiàn)象是由于陽光通過懸浮在半空中的水滴反射而產(chǎn)生的。他利用放大的雨滴——一個裝有水的球形燒瓶——追蹤構(gòu)成彩虹的光線所遵循的路徑，進而測試了這個猜想，并準確地描述了主彩虹和次彩虹。
他認為，主彩虹的形成過程如下：當(dāng)陽光照射到單獨的水珠上時，光線經(jīng)過兩次折射(進入和離開時)和一次反射(在水珠的背面)，然后傳輸?shù)接^察者的眼睛。而次彩虹則是一種類似的現(xiàn)象，通過兩次折射和兩次反射形成。
1637年，在《Les Me′te′ores》的第八次論述中，勒內(nèi)·笛卡爾論述了彩虹，這標志著彩虹物理現(xiàn)象研究的范式轉(zhuǎn)變。笛卡爾以這樣的論斷開始他的論述:
在過去的三個世紀中，西奧多尼克的發(fā)現(xiàn)一直鮮為人知，直到此時笛卡爾使用了相同方法——球形燒瓶實驗——研究彩虹，西奧多尼克的研究才重新發(fā)現(xiàn)。西奧多尼克和勒內(nèi)·笛卡爾都表明，彩虹是由進入液滴的光線組成的，并從內(nèi)表面反射一次。而霓（副虹）是由經(jīng)過兩次內(nèi)部反射的射線組成。每次反射都會損失一部分的光，這就是副虹比主虹顏色較暗的主要原因。
為了得到上述結(jié)論，笛卡爾正確地計算出了兩條弧線的入射角度，發(fā)現(xiàn)對于所有的入射角，入射角和折射角的正弦比值是恒定的。來自太陽的光線，假設(shè)是點狀的，沿著平行的方向到達水滴的不同點，并以不同的入射角截取水滴。那些經(jīng)歷單一反射的弧形成主弧，而次級弧，相對于主弧向外，由一個跌落內(nèi)的雙反射組成。
勒內(nèi)·笛卡爾關(guān)于彩虹的推理具有幾何性質(zhì)，消除了詩性或神秘色彩的現(xiàn)象，并允許人們以詩人和物理學(xué)家的身份進行推理，但肯定不再是神學(xué)家了，放棄了神秘的觀點，如《創(chuàng)世紀》9:14描述彩虹是雅威對人類“永遠不會再發(fā)動洪水”的承諾，這超越了超自然的意義，成為自然的物理意義。
彩虹特征的形成
艾薩克·牛頓是第一個給出光譜組成的科學(xué)證明的人，他聲稱白光由彩虹的所有顏色組成。根據(jù)這位英國科學(xué)家的說法，通過讓光線穿過玻璃棱鏡，可以把顏色分成光譜。牛頓清楚地表明，由棱鏡產(chǎn)生的彩虹圖形是由光分解成它的彩色成分而產(chǎn)生的，這與一般的觀點相反，即顏色是在棱鏡“內(nèi)部”產(chǎn)生的，棱鏡具有這種奇特的特性，就像水滴產(chǎn)生彩虹一樣。他還指出紅光的折射小于藍光，從而為彩虹的主要特征——顏色由紅色到紫色變化——提供了第一個科學(xué)解釋。
在艾薩克·牛頓的《光學(xué)》發(fā)表后的幾十年里，人們首次觀察到了干涉和衍射現(xiàn)象。這極大推進了光學(xué)研究進程，并最終促成了光的波動理論的發(fā)現(xiàn)。1801年，托馬斯.楊所做的關(guān)于兩個點狀光源發(fā)出的光線疊加的實驗發(fā)揮了關(guān)鍵作用，這使他成為第一個測量不同顏色光的波長的人。
楊的工作在19世紀30年代得到了英國天文學(xué)家喬治·艾里(George Biddell Airy, 1801-1892)的發(fā)展和改進，他研究了克里斯蒂安·懷更斯(Christiaan Huygens, 1629-1695)和奧古斯汀·讓·菲涅爾(Augustin-Jean Fresnel)的波理論，而對這一現(xiàn)象的數(shù)學(xué)處理部分是由化學(xué)家理查德·波特(Richard Potter, 1799-1886)在1835年完成的。并于1838年發(fā)表在劍橋大學(xué)哲學(xué)學(xué)會學(xué)報上。波特解釋了彩虹顏色的強度是如何取決于水滴的大小的。幾束光線在一個液滴內(nèi)相遇，形成一條稱為“焦散”的曲線，這條曲線就是對應(yīng)于光的最大值的光線系統(tǒng)的包絡(luò)線。
中國古代對彩虹的研究歷史
早在中國唐朝，孔穎達就提出了“若云薄漏日，日照雨滴則虹生”，表明了虹是日光照射雨滴所產(chǎn)生的自然現(xiàn)象。其后，張志和還進行了人工造虹的試驗，證實了虹的產(chǎn)生是陽光通過水滴的結(jié)果。張志和在其著作《玄真子》中記錄到：
即，要看到虹必須“背日”。
北宋時,精通天文歷算之學(xué)的進士孫彥先便提出“虹乃雨中日影也，日照雨則有之”的說法，已解釋了彩虹乃是由水滴對陽光的折射和反射產(chǎn)生。孫彥先的發(fā)現(xiàn)后來也被宋代沈括的夢溪筆談所引用及證實，且沈括也細微地觀察到虹和太陽的位置與方向是相對的現(xiàn)象。孫彥先和沈括等人對虹的這些發(fā)現(xiàn)比西方早了幾百年。
原理
彩虹形成的物理原理
彩虹是一種光學(xué)現(xiàn)象，可以用光的波動特性來解釋。彩虹由主彩虹和次彩虹（霓虹）組成。彩虹的形成需要三個基本元素：陽光、水滴和合適的視角——充足的水汽（如雨后空氣中的小水滴）和陽光是必要條件，而雙彩虹（主虹與霓同時出現(xiàn)）的觀察還需要空氣中的水滴足夠大，水滴越大，彩虹的色彩越鮮艷，霓才更容易被肉眼識別。主彩虹是由水滴內(nèi)部的兩次折射和一次內(nèi)部反射引起的，這種反射在入射光角度為40至42度時最為強烈。次彩虹出現(xiàn)在主彩虹的外面，是由球形水滴內(nèi)部的兩次折射和兩次內(nèi)部反射引起的。次虹的顏色與主虹的顏色相反，而且次虹的寬度是主虹的兩倍。
因為水對光有色散的作用，不同波長的光的折射率有所不同，紅光的折射率比藍光小，而藍光的偏向角度比紅光大。由于光在水滴內(nèi)被反射，所以觀察者看見的光譜是倒過來，紅光在最上方，其他顏色在下。因此，彩虹和霓虹的高度不一樣，顏色的層遞順序也正好反過來。
彩虹形成角度可以用上圖粗略計算得到，圓形代表水滴，出現(xiàn)時代表陽光光線。在此示意圖中，陽光光線在水滴表面折射兩次，在水滴內(nèi)部反射一次。表示光線入射角，表示水滴半徑。設(shè)入射光在高度上的分布是均勻的，忽略界面處的損失，則光強最強的角度出現(xiàn)在滿足條件的入射角處。
由折射定律 可得取得極值時 。
取水的折射率，可得極大值出現(xiàn)在處，此時折射角
偏轉(zhuǎn)角為
視角與入射光夾角
進一步計算可知，當(dāng)在1和2之間時，此角度隨折射率的增大而減小，這可以解釋為什么虹的外圈是紅色而內(nèi)圈是紫色。
彩虹形成的示意圖如下，此時太陽在觀測者的正后方。紅光= 42.37°，藍光= 40.65°。
“霓”是與“虹”相對應(yīng)的一種自然現(xiàn)象。虹是下雨天以及在雨后天晴之際，陽光穿透還殘余在空氣中的水珠而發(fā)生折射，散射出七彩的光芒。彩虹形狀多為弧形，出現(xiàn)在和太陽相對著的方向，從外（半徑大的）弧至內(nèi)弧的顏色依次為紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫。霓也叫“副虹”，形成與彩虹原理大致相同，只是光線在水珠中的反射多了一次，彩帶排列的順序和彩虹相反，紅在內(nèi)，紫在外。而彩虹和霓主要也是因為折射和反射的次數(shù)上之差別，導(dǎo)致色彩的排列剛好相反。
彩虹其實并非出現(xiàn)在半空中的特定位置。它是觀察者看見的一種光學(xué)現(xiàn)象，彩虹看起來的所在位置，會隨著觀察者的位置改變而轉(zhuǎn)移。但是當(dāng)觀察者看到彩虹時，它的位置必定是在太陽的相反方向。
分類
多重彩虹
大多數(shù)人因為沒有積極的去觀察而不會注意到霓，霓是經(jīng)常出現(xiàn)在主虹外側(cè)昏暗的第二道彩虹。霓是陽光經(jīng)由雨滴內(nèi)兩次反射和兩次折射產(chǎn)生的，出現(xiàn)的角度在50–53°。兩次反射的結(jié)果，使得霓的色彩排列和虹的弧相反，藍色在外而紅色在內(nèi)。霓比虹暗弱，因為兩次反射不僅使得更多的光線逃逸掉，散布的區(qū)域也更為寬廣。在虹與霓之間未被照亮的天空，因為是亞歷山大最先描述的，所以被命名為亞歷山大帶。
更暗的第三道虹，甚至第四道虹，都曾經(jīng)被拍攝過。這些是陽光在雨滴內(nèi)經(jīng)過三次或四次反射造成的。這些虹都出現(xiàn)在與太陽同一側(cè)的天空，第三道和太陽相距約40°，第四道則約為45°。因為陽光的關(guān)系，用肉眼很難看見。
Felix Billet (1808–1882) 敘述過更高階的虹，他描繪出第19道虹的位置，并稱此種模式為“彩虹玫瑰”。
反射虹和被反射虹
當(dāng)彩虹出現(xiàn)在水面的物體上時，來自不同光路互補的兩個鏡弧可能分別出現(xiàn)在水面上和水面下。它們的名稱略有不同，若水面平靜，被反射虹將呈現(xiàn)鏡像出現(xiàn)在水面的地平線下方。陽光在抵達觀測者之前首先受到雨滴的偏折，然后經(jīng)過水面的反射。被反射虹，至少是一部分，經(jīng)常可見，甚至在小水坑都可見。
當(dāng)陽光在抵達雨滴前先被水面反射，它可能生成反射虹，如果水面夠大，整個表面也是平靜的，并靠近雨幕，反射虹便可能出現(xiàn)在地平線之上。它與正常的彩虹交會在地平線處，并且它的弧會在天空的較高處，因為它的中心在地平線之上，而正常彩虹的中心在地平線之下。由于需要上述條件的配合，反射虹是很罕見的。
如果反射的弧再被反射，并且霓反射弧和他的反射弧同時都出現(xiàn)，同時出現(xiàn)6條（或是8條）彩帶也是可能的。
全圓彩虹
事實上，每一道彩虹都是一個圓形，但從地面觀察，彩虹的下半部分被地面遮擋。由于彩虹的中心與太陽在天空中的位置相關(guān)，太陽高度角越低，彩虹的中心點就越高，圓圈的更多部分上升到地平線以上。在日落或日出時，通常能觀察到半圓形的彩虹，即全圓彩虹的一半。要觀察彩虹的下半部分，需要水滴位于觀察者的視野以下，并且陽光能夠照射到這些水滴上。然而，在觀察者處于地面的情況下，這些條件很難滿足。但如果高樓或飛機上觀察，就可以滿足這些條件，從而可以看到完整的圓形彩虹。在生活中，可以通過背對太陽噴射水霧的方式來產(chǎn)生小型的圓形彩虹。
月虹
月虹（moonbow）是一種由月光產(chǎn)生的彩虹，其形成的光源不同于太陽彩虹，是由月球表面反射的光線引起而非直射陽光。與太陽彩虹相比，月虹光線較為微弱，這是因為作為光源的月亮亮度比較低。由于月虹光線強度比較低，通常無法激活人眼中感受色彩的視桿細胞，因此要直接辨別月虹的色彩是比較困難的，使用肉眼觀察月虹通常呈現(xiàn)白色。如果使用專業(yè)器材拍攝月虹，可以發(fā)現(xiàn)月虹中的不同顏色還是可以清晰分辨的。
除形成光源不同外，月虹的形成機制與太陽彩虹相似，均是由光線在水滴中折射造成的，因此月虹也總是出現(xiàn)在月亮對面的天空。這一現(xiàn)象早在公元前約350年的亞里士多德《氣象學(xué)》中就有所提及。
與太陽彩虹不同，月虹通常在月亮最明亮的階段出現(xiàn)，一般是在滿月期間。要觀察到月虹，必須滿足特定條件。月亮應(yīng)位于天空較低的位置，最好不超過42度，并且不受云層阻擋。此外，光污染等級、大氣中水汽含量等因素對月虹的形成也至關(guān)重要。由于苛刻的形成條件，月虹相較于白天陽光照射產(chǎn)生的彩虹更為罕見。
雙子虹
雙子虹(twinned rainbow)也是同時出現(xiàn)多道彩虹的現(xiàn)象。但與多重彩虹不同，雙子虹更加罕見，而且作為雙子的兩個彩虹顏色順序是相同的。雙子虹的形成原因被認為是雨水水滴大小的不同所致。由于空氣阻力影響，下落的雨滴會變得扁平，而較大的水滴更容易變扁。當(dāng)兩種大小不同的雨滴相遇時，它們各自產(chǎn)生稍有不同的彩虹，這些彩虹可能會相互結(jié)合形成雙子虹。
霧虹
霧虹(fog bow)，也稱為白虹(white rainbow)，是一種陽光照射濃霧形成的一種顏色接近白色的彩虹。霧中水滴非常微小，直徑通常小于0.05毫米，這些小水滴的衍射效應(yīng)導(dǎo)致了霧虹顏色的淡化。水滴越微小，霧虹的顏色越接近白色，且擁有紅色的外沿和藍色的內(nèi)沿。
霧虹與普通彩虹一樣出現(xiàn)在天空中背對太陽的一側(cè)，且其半徑略小于普通彩虹。
紅虹
紅虹( 紅色 rainbow)是一種黃昏或日出時出現(xiàn)的紅色彩虹。這是由于黃昏或日出時太陽高度角較小，陽光要經(jīng)過較長路徑穿過低層大氣，并被空氣分子和塵埃散射，較短波長的藍色和綠色散射最強烈，剩余的透射光中紅色和黃色的比例相對較高。而雨水中的雨滴會進一步引起散射，導(dǎo)致罕見的紅色彩虹。
附屬虹
附屬虹(Supernumerary Rainbows) 是彩虹內(nèi)沿一個或多個偏綠色、粉色和紫色的色帶。附屬虹的形成無法用經(jīng)典幾何光學(xué)來解釋。這種交替出現(xiàn)的淡彩帶是由于光線在雨滴中經(jīng)過不同的長度的路徑改變了相位并互相干涉引起的。一些光線處于相同相位，干涉能夠加強彼此，形成亮帶；而一些光線的的相位剛好相差半個波長，干涉之后將會相互抵消，形成暗帶。由于不同顏色的光波長不同，因此每個亮帶在顏色上有所區(qū)別，形成了一個位于主彩虹內(nèi)側(cè)的微型彩虹。附屬虹在雨滴直徑較小且尺寸均勻時最為明顯。附屬虹現(xiàn)象暗示了光的波動性。1804年，托馬斯·楊首次解釋了這種現(xiàn)象。
不同文化下的彩虹
彩虹的顏色與文化
中國民間通常將彩虹劃分為七色，即紅、橙、黃、綠、青、藍、紫，這種劃分實際上來自于毛澤東詩詞中的：赤橙黃綠青藍紫。誰持彩練當(dāng)空舞。而不同文化對于彩虹的顏色也有著不同的劃分，通常有3-9種顏色的劃分。如非洲某些部落將彩虹顏色分為八種：紅、橙、黃、黃綠、綠、青、藍、紫；臺灣布努族習(xí)慣于將彩虹顏色劃分為三種：紅、黃、紫。
中國古代的彩虹
在古代中國文化中，盡管《漢書·五行志》說虹霓是“日旁氣也”（這也比較接近現(xiàn)代科學(xué)的解釋），但在當(dāng)時的主流觀念中，仍然將彩虹視為超自然力量的存在。于省吾先生對甲骨文中“虹”字的解讀佐證了這一觀點。甲骨文為象形字，甲骨文中的“虹”字，像腰腹呈拱形的神龍，頭尾兩端各有一個張著大口的龍頭。古人以為虹是雨后出來飲啜水汽的神龍。
但是到了宋代，人們對于彩虹的認識已經(jīng)變得更加客觀。北宋科學(xué)家沈括在《夢溪筆談》中引用了孫先對彩虹形成的描述：「虹乃雨中日影也，日照雨而有之。」指出彩虹是雨止初晴時的自然現(xiàn)象。
古希臘的彩虹
在希臘神話中，有一位彩虹女神，名叫?ρι?（Iris，艾里斯），希臘語中?ρι?意為彩虹。Iris是一道彩虹，瞬間連通天地，可以瞬間前往遙遠的地方。因此，她扮演了希臘神話中最高級別女神赫拉的心腹使者的角色。
創(chuàng)世紀中的彩虹
圣經(jīng)創(chuàng)世記第9章諾亞方舟遺址的故事中出現(xiàn)了彩虹。諾亞洪水之后，雅威在云中放置了一道彩虹，作為他立約的標志，表明他不會再次用洪水毀滅地球。
上帝對諾亞說：“這（彩虹）就是我與你們所有人立約的記號。凡有血肉的不再被洪水滅絕，也不再有洪水毀壞地了。”上帝用天上的七色彩虹作為盟約的標志，以此紀念他與地上的生靈訂立的這個盟約。
也因此，在《創(chuàng)世記》中，彩虹被認為是神圣的，因為它是與上帝立約的標志，上帝帶來了包括人類在內(nèi)的生命的發(fā)展。?
彩虹文化
彩虹文化又稱LGBT文化，是女同性戀者（Lesbians）、男同性戀者（Gays）、雙性向者（Bisexuals）、跨性別者（Transgender）等性少數(shù)族群產(chǎn)生的文化。
美國同性戀活動家吉爾伯特·貝克（Gilbert Baker）設(shè)計了彩虹旗作為同性戀社區(qū)的獨特象征，一種能夠肯定其社會獨立性的驕傲標志。貝克認為，同性戀社區(qū)應(yīng)該有一個完全自己塑造的理想標志。貝克總結(jié)道，“我們需要一些美好的事物，它們來自我們中間。” 于是貝克以藍天為思路，將彩虹融入旗幟之中，設(shè)計出彩虹旗，作為LGBT社區(qū)的標志，也因此LGBT文化又被稱為彩虹文化。
參考資料 >
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Lunar Rainbows - When to View and How to Photograph a "Moonbow ".way back machine.2023-07-26
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世界各國の虹の色の數(shù)－虹ができる仕組み.光と色のおはなし.2023-07-29
虹の神話ー虹ができる仕組み.光と色のおはなし.2023-07-29
創(chuàng)世記第9章逐節(jié)注解、禱讀.圣經(jīng)綜合解讀.2023-07-26
《創(chuàng)世紀》.圣經(jīng)古樹.2023-07-29
彩虹的背后——上帝與人類的約定.基督時報.2023-07-29
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