彩虹为什么是圆的？

科普中国-科学原理一点通 2021-07-26

　　彩虹，简称为“虹”，是一种光学现象。当太阳光照射到空气中的水滴时，光线被折射及反射，在天空上形成拱形的七彩光谱，一般为雨后常见。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，这是为什么呢？

　　彩虹形成的基本条件是水汽和太阳光。下过雨后，空气湿度较大，空气中的水汽可以看做是无数个小水滴。小水珠在空气中基本是个球形，它不管怎么翻过来滚过去，在空间中形状始终不变。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。照射到小水珠上不同部位的太阳光会产生不同的折射与反射路径。

　　但不同角度的光线并不任意发散，而是似乎集中在某一个角度附近，这个角度在42度左右。

　　虽然棱镜分解太阳光时，每种颜色只被折射到一个固定的角度。但对于水珠，某种颜色的光会沿着0到42度的任意角度出来，只不过在42度附近亮度最大。

　　我们可以想象一下，当我们拿着一粒水珠在太阳光中移动时，我们的视线和太阳光之间的夹角逐渐增加。当夹角接近42度时，水珠变成明亮的紫色；继续增加这个角度，水珠的颜色逐渐向红色方向变化；等超过了可见光的范围，水珠又会变成昏暗的。

　　所以当天空中布满了水珠时，有一部分水珠会把太阳光折射反射再折射到我们的眼中，根据水珠与太阳光以及我们眼睛的相对角度，每个水珠呈现出一种颜色。凡是相对于观察者处于相同出射角，也就是说呈现相同颜色的，都处于同一个圆上（确切说是同一个锥面上）。对观察者来说，相同折射角的水珠都处于一个圆面上，而相同折射角呈现的颜色相同，因而看到的相同颜色也是一个圆。这就是为什么说彩虹是圆的原因。