认识虹霓 第12期

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我国古人很注重观察自然现象,安阳出土的殷代甲骨文中就有关于虹的记载.但在古代,彩虹被视作不吉利的预兆,古人认为虹是一种虫,名叫(dì dōng)或霓.《诗经》有云:“霓在东,莫之敢指”,意思是说在东方的天空若出现彩虹,不要用手指它,否则会有不吉利的事情发生.

至唐代开始,人们开始对彩虹作出较为科学的解释.唐初的孔颖达在《礼记注疏・月令》中,就提出了“日照雨滴则虹生”的论点,清楚地揭示了虹是日光照射雨滴所产生的自然现象.唐代张志和对彩虹做了进一步研究,并进行了人工造虹试验.他在《玄真子》中说:“背日喷乎水,成虹霓之状 .”这就明确地告诉人们,要想看到虹,就必须“背日”,而面对太阳就看不到彩虹了.沈括在《梦溪笔谈》中也提到:“虹,日中雨影也.日照雨,则有之.”

在西方,第一位给虹做出满意解释的人是法国的笛卡儿.他曾利用一个装满水的球形玻璃烧瓶做了实验,观察光线射过大水滴的情况.从而他推断:虹是阳光射入球状水滴而形成的.并指出:主虹是太阳光射入球状水滴经过一次反射后所形成的.副虹出现在主虹的外侧,是光线射入球形水滴后,经过两次反射所形成的,因此它比主虹暗淡和模糊.

笛卡儿虽然说明了虹的基本性质,但却没能解释出虹为什么会呈现出艳丽的色彩.后来,英国科学家牛顿通过研究发现:白光通过三棱镜后,分解成了红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色的光.其中红光的折射程度最小,紫光折射程度最大.至此关于彩虹的形成的光学原理才全部被发现. 阵雨过后,空中悬浮着大量球形小水滴,当阳光照射雨滴之后,不仅改变了光线前进的方向,同时也被分解为由红到紫的七种色彩.当人们站在适当的角度时,就会看到鲜艳夺目的彩虹.

雨过天晴后,天空中还残留着很多球形小水滴,这些小水滴的直径大约1毫米左右,由于水的表面张力和地球引力的作用,每个小水滴近似是小的长椭圆球.这些小水滴密密麻麻悬浮在空中,当太阳光射入水滴后,经过了两次折射和一次反射(如图1甲),被分散成为单色光,发生了色散现象.

(图1乙)是原理图,L是太阳光的平行线,与从水滴中射出的色光交于A、B两点,通过科学计算,α与β分别为42°和40°,在A点位置的α方位上,只能看到射出的红色光,在B点位置的β方位上,只能看到水滴射出的紫色光.也就是说在地面某点位置上,对某水滴只能看到从中射出来的某一种色光.由于空中细小的水滴密度很大,在地面上某点观察时将看到大量水滴色散的总体效果,在与直线L成α夹角的方向上的水滴都呈红色,在与直线L成β角的方向上的水滴都呈紫色,其他色光依次排列.由于α大于β,故在地面上某点将观察到红色在上、紫色在下依次排列的彩色弧带,这就是主虹.

对于副虹的形成,如图2,甲图是效果图,当太阳光射入水滴后经过两次折射和两次反射,发生色散现象,乙图中α′与β′分别为50°和53°,由于β′大于α′,在地面上某点观察,将看到紫色在上、红色在下的彩色弧带,这就是霓.

图3是在地面上某点P,观察到虹霓现象的效果图,内圈是虹,内紫外红;外圈是霓,内红外紫.

下面再探讨几个相关的问题.

问题1.彩虹为什么是圆弧形的?

看到彩虹的条件是太阳光与经小水滴偏折后单色光之间的夹角在适当范围内(40°~42°),且单色光能正好进入观察者的眼睛中.将所有满足条件的小水滴连起来,就形成了圆弧形(如图4).研究表明,彩虹呈圆弧形还与地球的形状有关.由于地球表面的大气层是弧形的,导致阳光在折射时形成弧形彩虹.

问题2.为什么在太阳的对面天空才看到彩虹?为什么中午见不到彩虹?

人们观察彩虹时,总发现它产生在太阳的相反方向.如果人的眼睛向着太阳这一面看时,眼睛将直接接收到太阳光,这些光线的强度比透过水珠后产生的各种色散光的强度要强得多,此时眼睛只能感觉到白光;而当太阳光通过对面天空中的小水滴折射,因没有白光的干扰,色散光就能被人观察到,形成彩虹.

仔细观察彩虹,会发现彩虹拱内的天空要比拱外天空明亮得多.这是由于彩虹的拱以内的部分,其实是被水滴折射和反射后形成的放大了的太阳像.彩虹拱形的正中心位置,刚好是观察者头部影子的方向,虹的本身则在观察者头部的影子与眼睛连线以上40°至42°的位置.当太阳的仰角超过40°将看不到虹的紫色带,超过42°时整个虹消失,超过53°时整个霓消失;这就是上午可观察到“西虹”,下午可观察到“东虹”,而临近中午看不到霓虹的原因.

问题3.彩虹与天气变化有何关系?

虹的出现与当时天气变化有着密切的联系.例如“东虹日头西虹雨”,根据彩虹的出现,推测未来天气变化情况.由于大气环流的作用,在高空有一个完整的西风带,这里的风不管春夏秋冬永远由西向东吹.所以,发生在西方的阴雨天气,总要受到这个西风带的影响,经过我们所处的天顶往东方运动.因此,只要发现西方有降水,往往不久就会影响到本地.特别是夏季,往往会发生这样的情景:东边天高气爽,阳光明媚;而西边则是电闪雷鸣,雨帘悬空.如虹在东方,说明东边大气中有雨滴存在,但已经移过本地,天气即将转晴;东虹一般多出现在傍晚.还有“晚虹日头早虹雨”;“虹高日头低,早晚披蓑衣”;“虹高日头低,大水没过溪”等等,都是跟彩虹相关的天气谚语.