当雨过天晴，阳光重新洒向大地，天空中偶尔会挂起一道绚丽的七色拱桥。这便是彩虹，一种令人心驰神往的大气光学现象。它不仅是神话传说中连接天地的桥梁，更是物理学中光与水完美协作的产物。
December 30, 2025 © Eunice Clarke
The brightest rainbow Eunice had ever seen, in an area wherein there are a lot of rainbows, spotted over Isle of Lewis, Scotland
彩虹是如何形成的？
彩虹（Primary Bow）的诞生，离不开两个主角：阳光和水滴。
当阳光照射到悬浮在空气中的球形小水滴时，会发生一系列奇妙的光学过程：
- 折射（Refraction）：阳光进入水滴时，由于空气和水的密度不同，光线会发生偏折。
- 反射（Reflection）：光线在水滴内部的后壁发生反射，就像照镜子一样折回。
- 再次折射：光线离开水滴回到空气中时，再次发生偏折。
在这个过程中，由于不同颜色的光波长不同，它们的折射率也不同。紫光的折射率最大，偏折得最厉害；红光的折射率最小，偏折程度最小。这种现象被称为色散（Dispersion）。于是，原本混合在一起的白光被“拆解”成了红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色。
为什么是圆弧形的？
虽然我们常看到半圆形的彩虹，但实际上，彩虹是一个完整的圆环。
每一滴水珠都在反射阳光，但只有处于特定角度的水珠反射的光线才能进入我们的眼睛。对于主虹来说，这个角度大约是 42度（相对于反日点）。
- 红光出现在约 42.4° 的视角。
- 紫光出现在约 40.7° 的视角。
由于所有满足这个角度条件的水滴排列在以观察者眼睛为顶点、以太阳光线为轴线的圆锥面上，所以我们看到的彩虹呈现出圆弧的形状。我们在地面上通常只能看到半圆，是因为下半部分被地平线遮挡了。如果你在飞机上，就有机会看到完整的圆形彩虹。
细节
彩虹是一个“区域”而不是一个“弧”，彩虹🌈的颜色条带对应的是一个最小反射角，因此内侧折射反射角度更大的区域也会有水滴散射阳光。彩虹外侧与霓虹之间的天空区域非常暗，被称为“亚历山大带”。
彩虹表现出极高的切向偏振（Tangential polarization）特性，其偏振度约为 96%，这意味着主虹光的电矢量振动方向垂直于连接太阳（光源）与观测点的径向线。这种偏振状态非常强烈，以至于当观测者使用径向指向的偏振滤光镜观察时，主虹会几乎完全消失。
这种强偏振现象的物理原理主要源于阳光在水滴内部的特定运行路径。在主虹的形成过程中，光线进入雨滴后会在其背面发生一次内反射（Internal reflection）。这次反射发生的角度恰好非常接近布儒斯特角（Brewster angle）。根据布儒斯特定律，当光线以此角度在介质界面反射时，反射光会产生极强的偏振。虽然光线在进出雨滴时还会经历折射，这会改变光线的最终行进方向（使其出现在距离反日点约 42°的位置），但它在水滴背面反射时获得的高偏振特性被保留了下来。
