威斯康星大学密尔沃基分校物理系的罗伯特·格林勒发来了这份回复
“在回答这个问题时,首先描述形成彩虹的光线路径会很有帮助。正如本图所示,来自太阳的光线进入水滴的一侧,进入时发生折射,在水滴的另一侧发生内部反射,然后再次从另一侧射出,再次发生折射。我们可以认为来自遥远太阳的光线是平行的。”
“如果你追踪大量照射到水滴不同位置的平行光线,你会发现光线集中在一个特定的角度射出,这个角度与光线进入的角度成 42 度角。因此,我们看到的情景是,来自太阳的平行光线照射到许多雨滴上,然后从雨滴中反射和折射回来——但不是直接反射回来,而是以 42 度的角度反射回来。”
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“现在到了关键问题:在天空中哪里可以看到雨滴返回的光线?首先,让我们定义一个空间方向:一个与太阳完全相反的方向,称为反日点。如果你白天站在户外,反日点就是你头影子的位置。要想看到从雨滴返回的光线,请看向距离反日点 42 度角的位置。当然,距离该点 42 度角的天空区域不仅仅是一个方向,而是一系列方向,这些方向围绕反日点形成一个圆。”
“因此,总结一下,看向反日点,然后将视线转移到 42 度角之外——你现在就看到彩虹了。彩虹总是会出现在与反日点相同的角度。然而,彩虹的高度将取决于太阳在地平线以上的高度。”
“那么彩虹的颜色呢? 当光谱中的每种颜色从空气进入水中或从水中进入空气时,都会发生不同程度的折射,这与光线穿过棱镜时发生的情况相同。因此,对于所有颜色来说,彩虹圈都不是 42 度。蓝色光线的圆圈比红色光线的圆圈小,因此主彩虹内蓝外红,光谱的中间颜色分布在两者之间。”
“进入水滴的一些光线也可能发生两次内部反射,然后才射出。如果你观察大量这样的光线,你会看到光线集中在 51 度的角度返回。这些光线产生第二道彩虹,也以反日点为中心,角半径为 51 度;因此,第二道彩虹出现在主彩虹之外。在第二道彩虹中,颜色顺序是相反的。”
“有关彩虹和其他大气光学现象的更多信息,请参阅我的著作《彩虹、光环和光荣》(剑桥大学出版社,1990 年)。”