霓与虹的双重奇观：二次反射如何形成颜色倒置的副彩虹

我们来详细解释一下霓与虹的双重奇观，特别是二次反射如何导致副霓彩虹（霓）的颜色顺序倒置。

1. 基础概念：主虹（虹）

• 原理： 主虹是阳光射入空气中的水滴后，在水滴内部发生一次反射，然后折射出水面形成的。
• 光路：
  • 阳光（白光）以一定角度射入水滴。
  • 在水滴与空气的界面发生折射（光线弯曲），白光被分解成不同颜色的光（色散），因为不同颜色的光在水中的速度不同（折射率不同）。
  • 光线到达水滴的后壁，发生一次内部反射。
  • 反射后的光线再次到达水滴与空气的界面，发生第二次折射，离开水滴。
• 效果：
  • 这个“一次反射+两次折射”的过程将阳光分解成光谱。
  • 由于光线在离开水滴前被向上反射了一次，观察者看到的光线是从水滴的下半部分射出的。
  • 颜色顺序： 红色光在光谱的最外侧（拱顶最高处），紫色光在最内侧（靠近拱顶中心）。这是因为红光折射率最小，在水滴内偏折的角度最小，因此相对于入射阳光方向，它从水滴射出的角度更大（更靠近42°左右的最小偏向角的外侧）。
• 位置： 主虹出现在观察者背对太阳方向约42°的圆周上（以太阳-观察者连线为轴）。

2. 副虹（霓）的形成：二次反射是关键

• 原理： 副虹（霓）是阳光在水滴内部发生了两次反射，然后折射出水面形成的。
• 光路：
  • 阳光（白光）以一定角度射入水滴。
  • 发生第一次折射（色散开始）。
  • 光线到达水滴后壁，发生第一次内部反射。
  • 反射后的光线到达水滴的另一侧壁，发生第二次内部反射。
  • 经过两次反射后，光线再次到达水滴与空气的界面，发生第二次折射，离开水滴。
• 效果：
  • 这个“两次反射+两次折射”的过程同样将阳光分解成光谱。
  • 关键点： 两次反射使光线在离开水滴前被向下反射了（相对于主虹的向上反射）。因此，观察者看到的光线是从水滴的上半部分射出的。
  • 颜色顺序倒置： 由于光线在离开水滴前多了一次反射，光线在水滴内的路径更长，色散效应更显著。更重要的是，两次反射完全改变了光线离开水滴时的角度关系。
    • 对于霓来说，满足最小偏向角条件的光线，其红光的偏向角反而比紫光的偏向角小。
    • 因此，在离开水滴的光线中，红光偏向的角度较小，更靠近中心方向（50°左右），而紫光偏向的角度较大，更远离中心方向。
    • 结果： 当观察者看到霓时，红光出现在拱的内侧（靠近拱顶中心），紫光出现在拱的外侧（拱顶最高处）。这就是霓的颜色顺序与主虹相反的原因。
• 位置： 霓出现在观察者背对太阳方向约50°的圆周上（半径比主虹大）。
• 亮度： 由于经历了两次反射，每次反射都有能量损失（光线被部分吸收或散射），所以霓通常比主虹暗淡得多。
• 与主虹的关系： 霓总是出现在主虹的外侧，与主虹同心，且颜色顺序相反。

3. 双重奇观：霓与虹同时出现

当大气条件合适（雨滴大小均匀、分布广泛、阳光充足）时，阳光可以同时进入大量的水滴，一部分水滴贡献了一次反射的光线（形成主虹），另一部分水滴则贡献了两次反射的光线（形成霓）。因此，我们就能在天空中同时看到这两条同心但颜色顺序相反的彩虹拱。

4. 亚历山大暗带

• 在主虹和霓之间的区域（大约在42°到50°之间），天空通常会显得比较暗。这是因为：
  • 对于一次反射（主虹）的光线，其最大偏向角约在42°左右。
  • 对于两次反射（霓）的光线，其最小偏向角约在50°左右。
  • 在42°到50°之间的角度范围内，没有水滴能将经过一次或两次反射的光线有效地折射到观察者的眼睛中。这个区域的光线要么没有反射，要么反射次数更多（能量更弱），因此显得相对黑暗，被称为亚历山大暗带。

总结

霓（副虹）颜色顺序倒置的根本原因在于其形成的光路涉及两次内部反射。这两次反射不仅改变了光线离开水滴的方向（从水滴上半部射出），更重要的是，它彻底反转了不同颜色光线在满足最小偏向角条件时的偏向角度关系，导致红光偏向较小（在内侧），紫光偏向较大（在外侧），从而形成了与主虹（一次反射，红光在外侧）相反的颜色序列。当大气中的水滴同时提供一次反射和两次反射的光线时，我们就能欣赏到霓与虹并存的双重奇观。