彩虹，又稱霓裳、天虹、天弓，簡稱虹，亦作絳，是由陽光經由空氣中的水滴經過折射及反射形成的一種光學現象，在天空上形成拱形的七彩光譜[1]。太陽光穿透過雨滴時不同波段的光會以不同的角度折射和反射，形成不同色彩的光譜，最常看到的是紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七種顏色，由外圈至內圈逐漸排列[1]。事實上，彩虹並非僅有這七種顏色，比如在紅色和橙色之間還有各種不同的色階[2]，這些色階根據不同的文化背景可能被解讀為三到九種顏色[2]，但通常的説法是六到七種顏色[2]。國際LGBT聯盟使用的彩虹旗便是由以下六種顏色組成的：紅、橙、黃、綠、藍、紫[2]。 紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫的七色説，便是以這六種顏色為基礎，再細分出帶點藍色的靛色[2]。現代中國民間俗稱的七色彩虹，則來自毛澤東詩詞中的：「赤、橙、黃、綠、青、藍、紫」[3]，這裡的青色指的是偏藍的綠色，即英文中的cyan[3]，和傳統中國文化中青色的定義不同[3]。若再細かく分けると、橙色を赤み寄りと黃寄りで更に二色に分ければ九色となる[3]。光學における三原色は赤、緑、青の三色であり、あらゆる色の光はこれら三色を混ぜ合わせることで生み出すことができる[4]。これは、赤、緑、青の三原色説を唱えたアリストテレスが、両端に中間色を加えた理論[5]と一致する。
空気中に水滴が存在し、観察者の背後の太陽光が低角度で差し込むと、観察可能な虹が現れる可能性がある[1]。虹が最もよく見られるのは、雨上がりの晴れた午後である[1]。この時、空気中に埃が少なく水滴が多く、空の一方はまだ雨雲が殘っていて暗いが、観察者の頭上や背後には雲がなく太陽光が差し込んでいるため、虹が見えやすい。もうひとつよく虹が見られる場所は瀑布の付近である[1]。晴れた日に陽光を背にして空中に水を撒いたり霧を噴霧すると、人工的に虹を作り出すことができる[1]。
月虹、別名晚虹は、まれに発生する現象である[1]。月の光が強い夜間に発生することがあり、人間の視覚は夜間の薄暗い環境では色を識別することが困難なため、夜には虹は完全に白色に見える[1]。
虹は、太陽光が空中の球に近い形の小水滴に當たって、散亂や反射を起こすことで発生する[1]。太陽光が水滴に入射すると、様々な角度で同時に入射し、水滴の中でさまざまな角度で反射する[1]。このうち、40～42度の反射が最も強く、私たちが目にしている虹の主な原因となっている[1]。この反射が起こると、太陽光は水滴に入り、最初に屈折し、次に水滴の後ろ側で反射し、最後に水滴を出るときに再び屈折する[1]。合計で一度の反射と二度の屈折を受けることになる。水は光を分散させる性質があるため、異なる波長を持つ光は異なる屈折率を持つことになり、例えば赤色の光の屈折率は青色の光よりも低く、青色の光の偏向角は赤色の光よりも大きくなる[1]。光が水滴の中で反射されるため、観察者に見える光スペクトルは逆さまになり、赤色が最上部に、他の色がその下になる[1]。そのため、虹と霓虹は高さが異なり、色の配列順序が正反対になる[1]。虹は、光が屈折を二回受け、反射を一回受けた現象であるのに対して、霓虹は屈折を二回受け、反射を二回受けた現象である[1]。
虹の形成角度は、上図から大まかに求められる[1]。入射する光が高度で均一に分佈していると仮定し、界面での損失を無視すると、光が最も強くなる角度は水の屈折率n＝1.33を満たす條件で決まる[1]。したがって、極大値はθ＝42.5∘のときに生じる[1]。ここで、視線と入射光の成す角は4r-2i=42.5∘である[1]。さらに計算すると、nが1と2の間にあるとき、この角度は屈折率の増加とともに小さくなる[1]。これは、虹の外側が赤色で內側が紫色の理由を説明できる[1]。
霓は、虹と対応する自然現象である[1]。虹は、雨の日や雨上がりの晴天時に、空中に殘っている水滴に太陽光が透過して屈折、散亂して七色の光を放出するものである[1]。虹の形は通常弧狀をしており、太陽と反対方向に現れ、外側（半徑の大きい）の円弧から內側の円弧に向かって、赤、橙、黃、緑、青、藍、紫の順番に色が並んでいる[1]。霓は副虹とも呼ばれ、形成の原理は虹とほぼ同じであるが、水滴の中で光が反射する回數が一回多くなっている[1]。そのため、色帯の配列順序が虹とは逆になり、內側に赤色、外側に紫色が現れる[1]。虹と副虹は主に屈折と反射の回數に差があるため、色の配列が正反対になっている[1]。
虹は、実際には空中の特定の場所に存在するわけではない[1]。それは観察者が見る一種の光學現象であり、虹の位置は観察者の位置によって変化する[1]。また、虹はたいてい半分しか見えなくて、全體が見えない場合もある[1]。これは、地域的な気候の違いによる水蒸気や濕度の差に影響されることが主な原因である[1]。観察者が虹を見るとき、それは必ず太陽の反対方向にある[1]。虹のアーチの內側の中心には、実際には水滴が反射した拡大された太陽像がある[1]。そのため、虹の中にある空は虹の外側よりも明るくなる[1]。虹のアーチ形の正中心は、観察者の頭の影の方向と一致しており、虹自體は観察者の頭の影と視線の一直線の40～42度の位置にある[1]。したがって、太陽が空中で42度より高い位置にあるときは、虹は地平線より下に位置して見えなくなる[1]。這也是虹が正午には現れない理由であり、主に入射する太陽光の角度と絶対的に関係している[1]。
虹は、端から端まで84度にわたって橫斷する[1]。一般的な35mmのカメラでは、19mm以下の焦點距離を持つ広角レンズが必要で、1枚の寫真で虹全體を撮影することができる[1]。十分な高さがあれば、虹はアーチ形ではなく完全な円形に見える[1]。
中國の唐の時代には、孔穎達が「若雲薄漏日，日照雨滴則虹生」と述べ、虹が太陽が雨滴に照射されて生じる自然現象であることを明らかにした[1]。その後、張志和は人工的に虹を作る実験を行い、虹の生成が太陽光が水滴を透過する結果であることを証明した[1]。さらに、「虹を見るためには「背日」が必要である」と指摘した[1]。北宋時代には、天文學と暦法に精通した進士の孫彥先が、「虹乃雨中日影也，日照雨則有之。」という説を提唱し、虹は水滴による太陽光の屈折と反射であることを説明した[1]。孫彥先の発見は、後に宋代の沈括の著書『夢溪筆談』で引用され、検証された[1]。沈括はまた、虹と太陽の位置と方向が相対的な現象であることを細かく観察した[1]。孫彥先と沈括などの虹についてのこれらの発見は、西洋よりも數百年早かった[1]。1304年から1310年の間、ヨーロッパのドミニコ會の修道士ディートリヒ・フォン・フライベルクは、水を入れた円形のガラス瓶を太陽光下において、虹の形成機序を研究した[1]。彼は、水を入れたガラス瓶を雲の縮小版ではなく、拡大された水滴と見なした[1]。1637年、デカルトは水滴の大きさが光の屈折率に影響を與えないことを発見した[1]。彼は、水を入れたガラス球を使って実験を行い、水に対する光の屈折率を求め、虹の主虹は水滴內部の反射によって生成され、副虹は二回の反射によって生成されることを數學的に証明した[1]。彼は虹の角度を正確に計算したが、虹の七色の色の説明はできなかった[1]。後にニュートンがプリズムを使って太陽光を散亂させて色に分離したことで、虹の形成に関する光學原理はすべて解明された[1]。
多くの人は積極的に観察していないため、霓の存在に気づかない[1]。霓は、主虹の外側に薄暗く現れる第二の虹である[1]。霓は、太陽光が水滴內で二回反射と二回屈折を繰り返した後に発生し、出現角度は50～53度である[1]。二回の反射の結果、霓の色の配列は虹の円弧とは逆になり、外側に青色が、內側に赤色が配置される[1]。霓は虹よりも暗く見えるのは、二回の反射によりさらに多くの光が空間へと逃げてしまうだけでなく、広がる範囲も広くなるためである[1]。虹と霓の間にある未照射の空は、アレクサンドロスが最初に記述したため、アレクサンドロス帯と呼ばれている[1]。

彩虹形成原因

彩虹形成原因是一個迷人的光學現象，它是由陽光經由水滴折射和反射而產生的。以下是説明彩虹形成原因的詳細步驟：

1. 陽光進入水滴

• 當陽光照射到水滴時，它會被折射，即彎曲，進入水滴。

2. 陽光在水滴內反射

• 折射後的光線會撞擊水滴的後表面並反射回來。

3. 陽光第二次折射

• 反射後的光線再次折射離開水滴。

4. 色散：不同顏色的光折射率不同

• 由於不同波長的光折射率不同，因此不同顏色的光會在離開水滴時以不同的角度折射。
• 紅光折射角最小，而藍光折射角最大。

5. 彩虹的形狀

• 從許多水滴折射和反射的彩色光線疊加在一起，形成彩虹的弧形。
• 彩虹總是出現在太陽的對面，半徑約為42度。

彩虹的顏色順序

彩虹中各顏色的順序與折射率有關，從外到內分別為：

雨後彩虹

雨後出現的彩虹與陽光穿過雨滴的原理相同。當陽光照射到雨滴後，它會被折射、反射和再次折射，從而產生彩虹。

雙重彩虹

有時會出現雙重彩虹，外側的彩虹較暗，內側的彩虹較亮。雙重彩虹是當陽光在水滴內反射兩次後形成的。

附錄：其他彩虹類型

除了常見的圓形彩虹外，還有其他不同類型的彩虹，包括：

• 霧虹：由霧中的水滴形成，呈現白色或淡灰色。
• 月虹：由月光形成，在夜晚可見，但比陽光彩虹暗淡。
• 圓弧虹：當陽光平行於地面時形成，呈現一條完整的圓弧。
• 水虹：在瀑布或噴泉附近形成，其弧形較小。

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彩虹是怎樣形成的彩虹的形成原理

彩虹_百度百科