2018年7月31日

高掛空中、歷時最長的彩虹

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)。

圖一:彩虹成因。
圖二:霓之成因。

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。

圖三:陽光、人、彩虹之相對位置。

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。而在2017年11月27日,於陽明山中國文化大學也記錄到6小時的彩虹,且更在3天後相同地點記錄到持續近9小時的彩虹,超越原先6小時的金氏世界紀錄約3小時之久,此乃非常難以達到的紀錄,可說是上天給的禮物。但在文大連續觀測到2次長延時彩虹來看,似乎又不是那麼不容易的事,背後有其特殊的條件。由於地理環境與氣候因素使得文大成為全臺最容易看到長 ......【更多內容請閱讀科學月刊第584期】

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