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彩虹

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出现于阿拉斯加朗格-圣伊利亚斯国家公园暨保护区的双虹,可见主虹内侧还有复虹。拍摄者头部的影子相当于彩虹的圆心,即反日点。
出现于阿拉斯加朗格-圣伊利亚斯国家公园暨保护区的双虹,可见主虹内侧还有复虹。拍摄者头部的影子相当于彩虹的圆心,即反日点

彩虹,又称天弓天虹等,简称,是气象中的一种光学现象,当太阳光照射到半空中的水滴光线折射反射,在天空上形成拱形的七彩光谱,由外圈至内圈呈    绿   七种颜色[1]霓虹则相反)。事实上彩虹有无数种颜色,比如,在红色和橙色之间还有许多种细微差别的颜色,但为了简便起见,所以只用七种颜色作为区别[2]

其实只要空气中有水滴,而阳光正在观察者的背后以低角度照射,便可能产生可以观察到的彩虹现象,彩虹最常在下午,后刚转天晴时出现,这时空气内尘埃少而充满小水滴,天空的一边因为仍有雨云而较暗,而观察者头上或背后已没有的遮挡而可见阳光,这样彩虹便会较容易被看到。另一个经常可见到彩虹的地方是瀑布附近,在晴朗的天气下背对阳光在空中洒水或喷洒水雾,亦可以制造人工彩虹。

月虹,又称晚虹,是一种罕见的现象,在月光强烈的晚上可能出现,由于人类视觉在晚间低光线的情况下难以分辨颜色,故此晚虹看起来好像是全白色。

原理

造成虹与霓的光学原理,左上为产生霓的光学过程,右上为虹的过程
造成虹与霓的光学原理,左上为产生霓的光学过程,右上为虹的过程

彩虹是因为阳光射至空中接近球形的小水滴,造成色散及反射而成。阳光射入水滴时会同时以不同角度入射,在水滴内亦以不同的角度反射。当中以40至42度的反射最为强烈,造成我们所见到的彩虹。造成这种反射时,阳光进入水滴,先折射一次,然后在水滴的背面反射,最后离开水滴时再折射一次,总共经过一次反射两次折射。因为水对光有色散的作用,不同波长的光的折射率有所不同,红光的折射率比蓝光小,而蓝光的偏向角度比红光大。由于光在水滴内被反射,所以观察者看见的光谱是倒过来,红光在最上方,其他颜色在下。因此,彩虹和霓虹的高度不一样,颜色的层递顺序也正好反过来。彩虹为光线经过两次折射、一次反射,霓虹则是光线经过两次折射、两次反射。

彩虹形成角度可以用上图粗略计算得到。设入射光在高度上的分布是均匀的,忽略界面处的损失,则光强最强的角度出现在满足条件

的入射角处。由折射定律

可得取得极值时

.

取水的折射率,可得极大值出现在

处,此时

折射角

偏转角

视线与入射光夹角,进一步计算可知,当在1和2之间时,此角度随折射率的增大而减小,这可以解释为什么虹的外圈是红色而内圈是紫色。

”是与“虹”相对应的一种自然现象。虹是下雨天以及在雨后天晴之际,阳光穿透还残余在空气中的水珠而发生折射,散射出七彩的光芒。彩虹形状多为弧形,出现在和太阳相对着的方向,从外(半径大的)弧至内弧的颜色依次为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。霓也叫“副虹”,形成与彩虹原理大致相同,只是光线在水珠中的反射多了一次,彩带排列的顺序和彩虹相反,红在内,紫在外。而彩虹和霓主要也是因为折射和反射的次数上之差别,导致色彩的排列刚好相反。

彩虹其实并非出现在半空中的特定位置。它是观察者看见的一种光学现象,彩虹看起来的所在位置,会随着观察者的位置改变而转移。而一般看到彩虹也可能只是一半,并非全部(一座桥样),主要也因为区域性的气候上水汽湿度差别的影响当观察者看到彩虹时,它的位置必定是在太阳的相反方向。彩虹的拱以内的中央,其实是被水滴反射,放大了的太阳影像。所以彩虹以内的天空比彩虹以外的要亮。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一线以上40°至42°的位置。因此当太阳在空中高于42度时,彩虹的位置将在地平线以下而不可见。这亦是为什么彩虹不会出现在中午的原因,主要和太阳光入射的角度有绝对的关系。

彩虹由一端至另一端,横跨84°。以一般的35mm照相机,需要焦距为19mm以下的广角镜头才可以用单格把整条彩虹拍下。倘若在够高处,会看见彩虹会是完整的圆形而不是拱形。

早在中国唐朝孔颖达就提出了“若云薄漏日,日照雨滴则虹生”,表明了虹是日光照射雨滴所产生的自然现象。其后,张志和还进行了人工造虹的试验,证实了虹的产生是阳光通过水滴的结果。他还指出,要看到虹必须“背日”[3]北宋时,精通天文历算之学的进士孙彦先便提出“虹乃雨中日影也,日照雨则有之。”的说法,已解释了彩虹乃是水滴对阳光的折射反射[4] 。孙彦先的发现后来也被宋代沈括梦溪笔谈所引用及证实,且沈括也细微地观察到虹和太阳的位置与方向是相对的现象[5]。孙彦先和沈括等人对虹的这些发现比西方早了几百年。1304年至1310年间,欧洲多明我会修士迪特里希·冯·弗赖贝格(Dietrich von Freiberg)通过把注满水的圆形玻璃瓶置于太阳光下,研究虹的形成机理。他使用注满水的玻璃瓶,不是将它看成缩微的云,而是看成放大的水滴。笛卡尔在1637年发现水滴的大小不会影响光线的折射。他以玻璃球注入水来进行实验,得出水对光的折射指数,用数学证明彩虹的主虹是水点内的反射造成,而副虹则是两次反射造成。他准确计算出彩虹的角度,但未能解释彩虹的七彩颜色。

后来牛顿以三棱镜展示把太阳光散射成彩色之后,关于彩虹的形成的光学原理才全部被发现。

变化

多重彩虹

虹与霓的特征是外弧(霓)的颜色排列与内弧(虹)相反,在两道弧之间是黑暗的亚历山大带。
虹与霓的特征是外弧(霓)的颜色排列与内弧(虹)相反,在两道弧之间是黑暗的亚历山大带

大多数人因为没有积极的去观察而不会注意到霓,霓是经常出现在主虹外侧昏暗的第二道彩虹。霓是阳光经由雨滴内两次反射和两次折射产生的,出线的角度在50–53°(参看)。两次反射的结果,使得霓的色彩排列和虹的弧相反,蓝色在外而红色在内。霓比虹暗弱,因为两次反射不仅使得更多的光线逃逸掉,散布的区域也更为宽广。在虹与霓之间未被照亮的天空,因为是亚历山大最先描述的,所以被命名为亚历山大带

更暗的第三道虹,甚至第四道虹,都曾经被拍摄过。这些是阳光在雨滴内经过三次或四次反射造成的。这些虹都出现在与太阳同一侧的天空,第三道和太阳相距约40°,第四道则约为45°。因为阳光的关系,用肉眼很难看见[6]

Felix Billet (1808–1882) 叙述过更高阶的虹,他描绘出第19道虹的位置,并称此种模式为"彩虹玫瑰"[7][8]。在实验室内,使用更明亮的光线和准直良好的激光,可以观察到更高阶的虹。据报吴等多人在1998年使用类似的方法,以氩离子激光光束达到200阶的虹[9]

反射虹和被反射虹

日落时分的正常虹和反射虹。
日落时分的正常虹和反射虹。

当彩虹出现在水面的物体上时,来自不同光路互补的两个镜弧可能分别出现在水面上和水面下。它们的名称略有不同,若水面平静,被反射虹将呈现镜像出现在水面的地平线下方。阳光在抵达观测者之前首先受到雨滴的偏折,然后经过水面的反射。被反射虹,至少是一部分,经常可见,甚至在小水坑都可见。

当阳光在抵达雨滴前先被水面反射(参见),它可能生成反射虹(见右图),如果水面够大,整个表面也是平静的,并靠近雨幕,反射虹便可能出现在地平线之上。它与正常的彩虹交会在地平线处,并且它的弧会在天空的较高处,因为它的中心在地平线之上,而正常彩虹的中心在地平线之下。由于需要上述条件的配合,反射虹是很罕见的。

如果反射的弧再被反射,并且霓反射弧和他的反射弧同时都出现,同时出现6条(或是8条)彩带也是可能的[10]

全圆彩虹

全圆彩虹导因于雨滴对阳光的“内反射”所造成的,因为雨滴和空气的折射率不同导致[11]

神话及宗教中的彩虹

彩虹“升起”的地方,位于那里的观察者将看不到彩虹。
彩虹“升起”的地方,位于那里的观察者将看不到彩虹。

因为彩虹的美和它是个难以理解的现象,古人便以神话来解释地球上有彩虹这一现象,所以彩虹在神话中占有一席位。后来由伽利略研究对于光的特性之后,才能解释彩虹这个现象。

中国古代人对“𧈫”的认知

“𧈫”与两头蛇

《海外东经》云“𧈫𧈫......各有两首”郭璞云“音虹”。“𧈫”即“虹”的异体字。古人以为是天上的怪物,故其字从“虫”,又谓之“蝃𬟽di4 dong1”,《诗经·鄘风·蝃𬟽》云“蝃𬟽在东,莫之敢指”。“莫之敢指”表明了人们对它的敬畏之心。认为“虹”是双头蛇或龙,有巨口,专门在雨后出来饮水。殷墟卜辞中提到“已有出虹自北,饮于河”,说明商朝人认为虹是活物。甲骨文中的“虹”正作双头虫形,写作 。彩虹被视作三月的标志,是因为在谷雨时分,春夏之交,禾苗始盛,彩虹开始渐渐出现。“

到了秦朝,“虹”字开始发生明显的改变。一条有尾巴的双头蛇取代了原来那条两端都长着头的巨虫,又增加了“申”来表示闪电,造出了一个左右结构的会意字。闪电之后有降雨,而“虹”是在雨后出现,新字形强调了“虹”和雨的关系。这是通行于秦国的籀文,也叫大篆。晚些时候的秦国石鼓文又别出机杼,将双头蛇写作“虫”,又用“工”来表示其巨大,造出了“虹”字,一举奠定了后来的格局。需要注意的是,战国时期的诸侯国大多有自己的文字系统,但谁的拳头大,谁就说得算。秦朝建立了,然后……

《释名·释天》云“其见每于日在西而见于东,啜饮东方之水气也”明确了“虹”与“日”方位相对的概念,同时延续着先民“虹饮于河”的认知。后者直到北宋真宗年间,还有人撰文力证之。《茅亭客话》云“韦中令镇蜀之日,与宾客宴于西亭,或暴风雨作,俄有虹霓(ní)自空而下,直入于亭,垂首于筵(yán)中,吸其食馔(zhuàn)且尽焉。其虹霓首似驴,身若晴霞状,公惧且恶之……旬余就拜中书令”高朋满座,忽有暴风雨袭来,然后一只驴头窜入酒席上方,把吃的喝的一扫而光……画面太美,主人惊惧交加。但毕竟是个神属性,所以,它的出现表示吉兆降临,主人升了官。

沈括在出使契丹途中,看到了“虹能入溪涧饮水”的奇异景象,后来在《梦溪笔谈》中写到“是时新雨霁,见虹下帐前涧中,余与同职扣涧观之,虹两头皆垂涧中”他通过近距离观察,验证了同时代科学家孙彦先的观点“虹乃雨中日影也,日照雨则有之””

“𧈫”的生殖崇拜

后来古人注意到,彩虹有时成双成对地出现,一个在上,一个在下,而且两者颜色的顺序相反:一个红色在外、紫色在内、色彩鲜艳,另一个红色在内、紫色在外、颜色暗淡一些。于是古人继续展开他们神奇的想象力: 根据阴阳学说,颜色顺序相反意味着阴阳属性相反,一个为阳另一个为阴,并且彩虹是一种动物,那就是一个是雄一个是雌。就这样,他们得出了惊人的结论:彩虹分男女!

古人将色彩鲜艳的、红色在外紫色在内的称为“虹”,是雄性,而稍微暗淡一些的、红色在内紫色在外的称为“霓”,是雌性,两者合称“虹霓”,这就是“虹霓”这个词的来历。 闻一多先(1957)为“虹”字作两头状,是因为描绘的是两条蛇交尾的情形。不过“霓”这个字没有对应的甲骨文或金文,直到篆书才出现了这个字。这主要是由于双彩虹比较罕见,可能直到较晚的时候才引起了人们的注意。

可能有人会问,为什么“霓”没有用“虫”旁,其实在《说文解字》中,“霓”与“蜺(ní)”相同,和“虹”一样也是和虫子有关。“雄曰虹,雌曰霓”,虹霓同时出现,则为“阴阳交”,类似于不正当男女关系。《幼学琼林》干脆说:“虹名䗖𬟽,乃天地之淫气”,《诗经》中有一首《蝃𬟽》,就是专门讽刺女子私奔的诗歌“蝃𬟽在东,莫之敢指。女子有行,远父母兄弟。朝𬯀(jī)于西,崇朝其雨。女子有行,远兄弟父母。乃如之人也,怀婚姻也。大无信也,不知命也!一步一步诗歌的大意是说:彩虹出现啦,一个姑娘抛下父母兄弟和情郎私奔。这种行为令人不耻啊,谁知道她未来的命运会怎么样——一定很糟糕。《诗经》一些篇章的题目后来都具有明显的指代意义,比如关雎表示求爱,蒹葭表示思念,桃夭表示喜庆,硕鼠表示贪婪,鹿鸣表示求贤,而䗖𬟽也成为私奔的代名词。

这正好反映了中国人对待男女情事的特殊心态——男女之事是值得崇拜的生殖之事,但也是不当宣漏的隐秘之事。《释名·释天》释虹:“又曰美人,阴阳不合,婚姻错乱,淫风流行,男美于女,女美于男,互相奔随之时,则此气盛,故以其盛时名之也。”《太平御览·天部》引《周书·时训》:“小雪之日,虹藏不见。虹不藏,妇不专一。”

“𧈫”与不祥之兆

虹以两头蛇之形表示自然界的云气现象,在古人眼里,因其雌雄同体,阴阳相交,又与万物繁衍生长的“云雨”关系密切,从而反映了古人的生殖崇拜观念。但是,在古人的世界观中,遇“虹”并不是好事,而是一种不祥之兆。是时天雨,虹下属宫中,饮井水,水泉竭。(《汉书·燕王旦传》)

伏羲原本居住在中原,被称为“龙”的部落,而之后炎帝、黄帝先后称霸中原,这意味着对“龙”。部落后裔的屠戮,夏、商、周三朝都是黄帝后裔,他们的祖先论理都应该参与过对“龙”部落的屠杀,殷人认为出虹有祟,这与先民之间的仇恨应该是脱不了关系的。在殷人看来,出虹即“龙降”,是“龙裔”的复仇之举。

另一方面,虹为不祥之兆与“出虹致旱”也联系密切。上文所引卜辞中有“虹饮于河”、“虹饮于井”之说。除甲卜辞记载所载外,有关虹饮水之说的记载还有:《释名·释天》:“䗖𬟽,其见每于日在西而见于东,啜饮东方之水气也。”《梦溪笔谈》:“世传虹能入溪涧饮水,信然……虹两头皆垂涧中。”虹垂于大河、山涧之上,状似巨龙张口饮水之态,且根据甲骨卜辞所载,出虹的时间是在十二月(见上文),我们虽不知道商代历法的岁首月建,但十二月为秋冬季节当无疑问,正是干旱少雨的季节,再加上巨虹饮河水,这样的巧合在先民心中自然而然被神话了。虹在殷人眼中成为了旱神的象征

美好的结局

不过,毕竟“虹霓”还是很漂亮的,所以后来人们也用彩虹去比喻很多美好的事物,如用霓裳来比喻美丽的衣裳,甚至认为霓裳是神仙穿的衣服。《楚辞·九歌·东君》中就有“青云衣兮白霓裳,举长矢兮射天狼”这样的句子,认为神仙以云为裳,并将其称为霓裳。

参考文献:

《甲骨文“虹”字文化考释 》周丙华

《“虹”字漫谈》杨芳

电脑上的颜色代码

RGB[编辑]

  • 红(255, 0, 0)
  • 橙(255,165, 0)
  • 黄(255,255, 0)
  • 绿( 0,255, 0)
  • 青( 0,255,255)
  • 蓝( 0, 0,255)
  • 靛( 43, 0,255)
  • 紫( 87, 0,255)

HSB[编辑]

  • 红( 0,100,100)
  • 橙(39,100,100)
  • 黄(60,100,100)
  • 绿(120,100,50)
  • 青(180,100,100)
  • 蓝(240,100,100)
  • 靛(275,100, 51)
  • 紫(300,100, 50)

网页色码[编辑]

  • 红(#FF0000)-red
  • 橙(#FFA500)-orange
  • 黄(#FFFF00)-yellow
  • 绿(#008000)-green
  • 青(#00FFFF)-cyan
  • 蓝(#0000FF)-blue
  • 靛(#4B0082)-indigo
  • 紫(#800880)-violet

世界纪录

2017年11月30日,彩虹高挂台湾阳明山长达9小时,打破英格兰约克郡韦瑟比在1994年3月14日创下的6小时纪录[12][13]

参见

延伸阅读

[在维基数据]

维基文库中的相关文本:钦定古今图书集成·历象汇编·乾象典·虹霓部》,出自蒋廷锡古今图书集成

参考资料

  1. ^ 现代汉语词典商务印书馆 1978年版、p.462。
  2. ^ 查理斯.泰勒、史蒂芬.匹柏 编著. 牛津科學大百科. 明天国际. 2009年3月30日: P.21 [2013年6月26日]. ISBN 9789866658709. (原始内容存档于2012年10月28日) (中文(台湾)). 
  3. ^ 金秋鹏. 中国古代光学成就. 东华理工大学. [2012-06-23]. [永久失效链接]
  4. ^ D-Horse. 彩虹为什么是弯的?. 科学松鼠会. 2011-12-28 [2012-06-23]. 
  5. ^ 沈括《梦溪笔谈》卷二十一:异事异疾附
  6. ^ Triple Rainbows Exist, Photo Evidence Shows, Science Daily Oct. 5, 2011. [2012-01-16]. (原始内容存档于2013-10-04). 
  7. ^ Billet, Felix. Mémoire sur les Dix-neuf premiers arcs-en-ciel de l'eau. Annales scientifiques de l'École Normale Supérieure. 1868, 1 (5): 67–109 [2008-11-25]. (原始内容存档于2009-02-18). 
  8. ^ Walker, Jearl. How to create and observe a dozen rainbows in a single drop of water. Scientific American. 1977, 237 (July): 138–144 + 154 [2011-08-08]. (原始内容存档于2011-08-14). 
  9. ^ Ng, P. H.; Tse, M. Y.; Lee, W. K. Observation of high-order rainbows formed by a pendant drop. Journal of the Optical Society of America B. 1998, 15 (11): 2782. Bibcode:1998JOSAB..15.2782N. doi:10.1364/JOSAB.15.002782. 
  10. ^ Terje O. Nordvik. Six Rainbows Across Norway. APOD (Astronomy Picture of the Day). [2007-06-07]. 
  11. ^ Where's the pot of gold? Amazing picture of ultra rare circle rainbow captured from flight Down Under. DailyMirror. [2014-10-14]. 
  12. ^ 彩虹高踞文大9小時 今獲金氏紀錄授證 - 生活 - 自由時報電子報. [2018-09-05]. (原始内容存档于2018-03-20). 
  13. ^ 最長時間彩虹在台灣 持續9小時破金氏世界紀錄. 苹果日报. [2018-09-05] (中文(台湾)). 
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