“双彩虹”奇景刷屏,究竟是怎么形成的?

  2020年9月3日,北京上空出现双彩虹。视觉中国供图


  9月3日,北京喜现双彩虹美景在朋友圈刷屏。虽然彩虹是一种很常见的自然景象,但即便如此,每当雨后天空中升起美丽的彩虹时,仍能吸引大家的目光,而极为少见的双彩虹更是足够“吸睛”。

  那么,双彩虹究竟是怎样形成的?为什么很多时候,我们只能看到一道彩虹?科技日报记者采访了湖北省农业气象专家黄智敏,就这些问题一一作了解答。

  双彩虹其实是霓和虹

  黄智敏说,空气湿度较大时,空气中的水汽可以看做是无数个小水滴。当太阳光射入小水滴时,会发生两次折射和一次反射,即“折射—反射—折射”现象。

  太阳光是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫7种颜色组成的,当照射到水滴上时会出现第一次折射,由于这7种颜色光的波长不同,它们的偏向角度也会不同,这时太阳光就会分解为7种单色光;折射后的单色光到达水滴的背面后,会按照反射规律发生反射;反射后的单色光将回到入射水滴的这一面,这时将发生第二次折射,并仍然以单色光的形式射出水滴。

  波长最短的红光,在水珠中的折射率最小,使得其出射光线与入射光线构成最大夹角,而波长最短的紫光,在水珠中的折射率最大,使其折射光线与入射光线构成最小夹角,其他光依序在其中分布,人们肉眼见到的就是外红内紫的“虹”。

  当我们在天空中看到“虹”时,就说明太阳光在水滴内进行折射和反射,也就意味着“霓”的存在。霓的形成与虹相似,只是太阳光在水滴内经历了两次折射和两次反射,即“折射—反射—反射—折射”,由于相比虹的形成多了一次反射过程,其折射率最小的红光出射光线方向与入射方向成最小夹角,折射率最大的紫光出射方向与入射方向成最大夹角,最终我们看到的色彩排序就会恰好相反,呈现红色在内、紫色在外的形式。

  但是太阳光经过水滴后发生两次反射的情况较发生一次反射的情况光能量损失很多,因而霓的亮度比虹的亮度暗得多,一般不容易被人们观察到。

  所以,只有当光的能量足够大或者能量损失足够小的时候,我们才能看到霓。若均可见,由于虹的角半径为42度左右,霓的角半径为52度左右,故霓在虹之上并与之平行。当虹和霓共同被我们看到时,就呈现出了美丽的双彩虹景象。

  理论上来讲,太阳光是可以在小水滴里进行多重反射的。但是由于每一次反射都会导致光的吸收和光的减弱。所以通常我们最多只能看到两条彩虹。

  水汽足水滴大才能彩虹成双

  彩虹形成的基本条件是水汽和太阳光,水汽的充足与否和季节、地域相关。

  从季节上讲,一般冬天的气温较低,空中不容易存在小水滴,下雨的机会也少,所以冬天一般不会有彩虹出现。夏季热对流天气较多,雷雨、阵雨天气频繁,又常常是急匆匆地下完雨就放晴,因此更容易看到彩虹。

  从地域上来说,彩虹的出现需要满足一定的水汽条件,因此在我国南方,雨水充沛、空气湿润的地方比较易见,出现双彩虹美景的几率也更大。比如,广西空气湿度较高,甚至有时候不下雨也会出现彩虹美景。

  具备了彩虹的形成条件后,想要看到双彩虹,空气里的水滴大小是关键。空气里水滴的大小,决定了彩虹的色彩鲜艳程度。空气中的水滴大,彩虹就鲜艳;水滴小,彩虹颜色就黯淡。

  因此,想要看见双彩虹,空气中的雨滴需要较大,保证霓的颜色足够鲜艳,才可以被肉眼看到。

  另外,我们从地面上看彩虹是一个拱形,但实际上它是一个完整的圆环。

  地球的表面是一个曲面,雨后空气中的水汽也会按照地球的曲面分布,因此,身处地球之外看到的彩虹,应当是完整的圆环形状。这也是为什么从飞机上看到的彩虹是完整的圆环形。

  一旦站在地球上,本来完整的彩虹便不再完整,这是因为另一半彩虹被地面挡住了。



来源:科技日报
作者:刘志伟

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