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2018-08-01高掛空中、歷時最長的彩虹
584 期
Author 作者
劉清煌／中國文化大學大氣科學系副教授。
古人言：「天上的彩虹總是曇花一現。」在熟知其原理的今天，對於它的出現與消失成因並不陌生。然而去（2017）年，臺灣上空卻劃過一道不再稍縱即逝的長延時彩虹，甚至還一舉破了金氏世界紀錄……。
細說彩虹
我們都做過光線分色的實驗，當光線通過三稜鏡時會被分色，此乃由於光線通過不同的介質時會產生折射，而不 同顏色其光的折射角度不同，根據司乃耳定律（Snell's Law）， 可算出偏折角度，波長較長的紅光偏折角度較小，而波長較短的藍色光、紫色光偏折角度較大，使得原先進入三稜鏡的白光離開三稜鏡時變成七彩的顏色。彩虹也是這個原理，天空中水滴扮演三稜鏡的角色，光線進入水滴後產生折射（圖一左1的位置）， 不同顏色的光即產生分離，當光線到達水滴的另一側時，一部分的光線會直接穿出水滴，另一部份的光線在水滴的內緣被反射（圖一左2 的位置），被反射的光繼續在水滴內傳播到圖一左3的位置時離開水滴進入空氣。由於空氣與水滴乃不同介質，因此光線再一次發生折射，總共歷經2次折射、1次反射，使得紅光與紫光朝不同的方向傳播（圖一左）。最後紅光離開水滴與入射光的夾角約42度，而紫光與入射光的夾角約40度。離開水滴後由於紅光與紫光各朝不同方向傳播，人若在定點位置，假設能看到此水滴所產生的紅光，那則看不到此水滴所折射出來的紫光，而所看到的紫光是來自 於較下方（或是較內側）的水滴（圖一右B水滴）， 所以看到的彩虹是紅光在外圈、紫光在內圈（圖一右）。
當光線到達圖一左3的位置時，有一部分的光會再一次被 反射（圖二）， 再折射出水滴，歷經2次的反射及2次折射後，看到的彩虹就是「霓」，入射光與出射光的夾角約 51度。如果同時看到虹與霓，則虹在內圈、霓在外圈。虹 的顏色分佈，由內向外是：紫（靛）藍綠黃橙紅，而霓的次序則與虹相反。人類肉眼所看到的彩虹均來自不同的水滴。對虹而言，紅光是來自較高（外側）的水滴，而紫光是來自較低（內側）的水滴，霓則與之相反。
換句話說，要看到彩虹一定要有水滴及陽光，人的位置在彩虹與太陽中間（圖三），即太陽在東方時，彩虹一定在西方，太陽在西方時，彩虹一定在東方，而且虹的亮度一定比霓亮。另外，彩虹的清晰度（顏色分明）與水滴的大小有關，水滴越大，產生的分光效果越好，彩虹清晰度越好，此時水滴的直徑約1~2 公釐（mm）， 當水滴直徑小於0.1公釐時彩虹色澤會變得很不清楚，或呈現灰色狀況。
另一個值得思考的問題，虹是光線在水滴中1次反射，而霓是光線在水滴中2次反射，有無可能光線在水滴中出 現3次、4次甚至是更多次的反射呢？答案是肯定的，光線每歷經一次的反射，就會損失一部份的能量，經過多次反射後，能量所剩寥寥無幾，亮度也會衰弱許多，不易觀察到。文獻上記載2011 年 6 月 11 日賽斯納（Michael Theusner）在德國席夫多夫（Schiffdorf）曾同時拍攝到 3~4次反射的彩虹，方位是面對太陽方向離太陽約45度； 2012 年8月8日，伊登斯（Harald E. Edens）在美國新 墨西哥州的朗繆爾（Langmuir）觀測台拍到5次反射的彩虹，出現的方位在虹與霓之間。
長延時彩虹
要看到彩虹不是什麼困難的事，下雨過後經常可觀測得到，但出現的時間往往僅數分鐘，要持續長時間看到彩虹就不容易了，除了天氣條件的配合外，與季節及地理位 置均有很大的關係。1994 年3月14 日，在英國韋瑟比 （Wetherby）記錄到持續6小時（9：00~15：00）的彩虹，被列入金氏世界紀錄。……【更多內容請閱讀科學月刊第584期】