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更新时间:2017-05-24 17:41:34    点击数:272

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开篇


彩 虹 新 论与“多日同辉”的形成


内容提要: 

1、彩虹(霓虹、幻日弧光等)是太阳光粒子照射到水分子时的折射(散射、衍射)现象,当水分子的密度(厚度)达到一定程度,并具有一定的形状时,照射的太阳光粒子就会发生折射(散射、衍射),形成彩虹(霓虹、幻日弧光)。所形成的彩虹(霓虹、幻日弧光等)一定在太阳光照的另一面,而且所形成的反射水面必须是圆柱形或者是表面是椭圆形(表面与水柱具有一定的斜度)的圆柱体水池,是具有斜“三角形”的圆弧储水结构状。彩虹形成的三个要素:一是与太阳光照射的角度有关,二是与被照射的水面形状(形成彩虹的水面或者水分子空间结构体必须是圆形或者椭圆水池形状)或分子的分布状态有关,三是与水面倾斜度有关。当然也与空气中的纯净度、形成彩虹的背景的暗度以及太阳光照射的强度有关。彩虹和霓以及幻日弧光都是上述结果,只是取决于太阳照射在水面的角度。角度不同就会出现虹或霓,或者多条彩带弧。

2、天空中同时出现多个“太阳”——多日同辉,也是太阳照在水面上的折射、散射、衍射现象。形成“多日”的水面或者水分子空间结构体必须是多棱形水池形状,且具有多个“三角形”状的储水结构。同样形成有三个要素:一是与太阳光照射的角度有关,二是与被照射的水面形状(水面或者水分子空间结构体必须是多棱形水池形状,且具有“三角形”的状储水结构)或分子的分布状态有关,三是与水面倾斜度有关。当然也与空气中的纯净度、形成“多日”的背景的暗度以及太阳光照射的强度有关。形成的“太阳”的多少与照在水面的棱体有关,与太阳照射的角度有关,与空气中的纯净度有关,与形成“太阳”的背景的暗度有关(较暗处),与太阳光的照射强度有关。


彩虹是太阳光照到水面的一种折射、散射、衍射现象。它是怎样形成的,目前只有一种理论,本文想通过另一种现象来解释彩虹的形成。下面就目前的理论和新的发现进行论述:


一、目前对彩虹形成的理论。

就目前对彩虹形成普遍认为,彩虹是空气中富集了大量的水汽后,经过太阳光以较小的角度照射,阳光照射在水蒸气中的小水滴上会折射出七彩的色带。有两种理论:一种理论认为,彩虹半径较短的内侧是红色的,而半径较长的外侧是
紫色的,这就是“虹”;另一种理论认为:彩虹实际应该被称作“霓”,半径较短的内侧是紫色的,而半径较长的外侧是红色的。虹和霓有时候是并存的,有时也只有虹而没有霓。霓和虹都是阳光被小水珠折射和反射所形成的彩虹现象。光线被水珠折射两次反射一次就叫做虹;光线被水珠折射两次反射两次就叫做霓。由于霓比虹反射多一次,光线的强度较弱,所以并不常见。另外,因为霓和虹反射路径不同,所以我们看到霓的七色刚巧与虹的七色是上下相反的。彩虹出现的时候都在早上和傍晚,这时候太阳比较接近地平线,照射的角度也就很低。如果是在早上,太阳从东边升上来,那么彩虹就会在西边天空中出现;如果是在傍晚,太阳西沉下去,彩虹就会出现在东边天空中。彩虹多是在雨后出现,因为一般在雨后,空气中的水蒸气非常多,这时候太阳出来,照射水蒸气,就比较容易出现彩虹。但是也有特殊情况,气候潮湿,其实有可能是因为高空中是下了小雨的,但是水汽没有达到足够的量,雨下到半空中还没来得及落地就蒸发掉了。也就是说,在比较高的空中还是有很多的小水滴的。这时候,太阳出来照射空气中的水滴,就出现了美丽的彩虹。彩虹是由空中的雨滴像三棱镜那样折射分解阳光而形成的,所以彩虹通常在白天有太阳的时候出现。然而,令人惊异的是,夜间的天空,也会出现彩虹,不过不是白天的日虹,而是月虹。和白天的日虹一样,月虹的形成也需要光源。夜间虽然没有太阳,但如果有明亮的月光,大气中又有适当的云雨滴,便可形成月虹。月球反射太阳光,故月光也由赤橙黄绿青蓝紫这七种可见的单色光组成,从而折射出月虹也是彩色的。

在彩虹现象中还有一种特殊现象,人们称其为“倒挂彩虹”。倒挂彩虹现象和普通意义上的彩虹出现的原理是不一样的,倒挂彩虹在天文学上被称为幻日弧光现象,其样子看起来是一个倒挂着的彩虹,除形成条件与彩虹不同外,幻日弧光的光谱排列顺序也和彩虹不同。幻日弧光的颜色排列方式为紫色在最上面,红色在最下面,刚好和彩虹相反。而由于卷云中的冰晶会不断改变方向,幻日弧光存在天空的时间极为短暂。


二、新的实验证明彩虹的形成原理及其分析 

我们把一个较大的圆柱体玻璃容器装上约40%左右的干净的水,放置在一个太阳光能够照到的台阶上,让太阳照到这个透明的圆柱体容器的水面上,当太阳从I象限(X轴)射入,就会在III象限太阳的反方向出现折射(散射、衍射)成像,此时就会再台阶下面的平面上出现图像,有彩虹和光点的出现(其实是在以水池为中心的X轴以下的圆锥型的折射,只是在太阳照射的对面出现的比较清晰),随着对圆柱体玻璃容器的倾斜、旋转,在台阶下就会发现有不同的现象发生。而且容器的形状不同,水位高低不同,容器的角度和方位不同,出现的现象不同。具体实验如下:

1、实验一:圆柱中间略带外鼓型(腰鼓型)

这种容器装的水的容量在达到30%--50%,按照上面的方法放置,随着容器的斜度调整,在水面的下方就会出现彩虹不同的长度和宽带,彩虹的成像清晰度取决于太阳照射的角度、容器内水面的变化程度(玻璃容器的倾斜度)和成像
的距离以及与X轴的角度,与负Y(第三象限)的角度;0度(垂直)至15 度时形成的彩虹最鲜艳,也最规则,而且清晰,按照赤橙黄绿青蓝紫排列。

2、实验二:圆柱型

这种容器装的水的容量在达到30%--50%,按照上面的方法放置,随着容器的斜度调整,在水面的下方也会出现彩虹不同的长度和宽带,彩虹的成像清晰度同样取决于太阳照射的角度、容器内水面的变化程度(玻璃容器的倾斜度)和成像的距离以及与X轴的角度,与负Y轴(第三象限)的角度;0度(垂直)至15 度时形成的彩虹最鲜艳,也最规则,而且清晰,按照赤橙黄绿青蓝紫排列。

上述两个实验还显示,当容器内水面的倾斜度与X轴(水的平面与太阳的照射角度始终保持了不变)的夹角变小时(以远离太阳一面垂直水的容器为Y轴,第四象限),角度越小彩虹条带间隔距离越大。随着不断地变化容器的角度,有时会出现彩虹的色散,有时会形成多条彩虹,也就出现了七色的位置变换,形成前一个彩虹部分与下一个彩虹的部分组合。这可能就是我们在天空中看到的有时是彩虹,有时会是霓虹的现象,或者是被称为幻日弧光的“倒挂彩虹”。

下面八组彩虹(霓虹)图片就是上述实验时的成像照片。


彩虹实验1


彩虹实验2


彩虹实验3


彩虹实验4


彩虹实验5


彩虹实验6


彩虹实验7


彩虹实验8

3、实验三:多棱型(多个“太阳”—— “多日”同辉)

取一个多棱立体玻璃容器,在容器内装入容量的30%--50%的水,按照上面彩虹的实验一和实验二的方法进行,随着对容器的斜度调整,在阴影处就会出现彩虹不同的长度和宽带以及清晰度。这种容器所折射出的彩虹是多条状的,颜色按照赤橙黄绿青蓝紫多个排列相重叠。而且,会出现两层光环,内层(与Y轴的角度在15度左右)在一个方向会出现两个光亮点(有时会是三个,但亮度很低,光点也小,有两个靠近一些),而外层(20-30度左右)就会至少出现三个光亮点,随着不断调整位置,就会出现四个、五个,甚至更多;将水面容器不断调整,上述的光点(如同太阳一样)有时会在一个圆弧上,有时会成像在一条直线上,这可能就是我们有时在天空看到出现的“多日”同辉的现象。其实这只是在一个小角度的成像,在整个照射的水面会在折射后形成一个圆环,在整个圆环上会有很多的这样的成像,只是我们只能看到一个侧面。这种情况不会产生彩虹。只有前两种才会产生彩虹。

下面十组图片是以八棱玻璃立体容器得到的实验结果。八棱玻璃立体容器内的水在太阳光的照射下,在其下方的平面会出现内外两层光环。内环在一定的夹角内只有最多两个光点,而在外环最少会有三个光亮点;随着水面的位置变化,这些光亮点也会变化。有时会是四个,甚至更多,光亮点也会随着变化。


“多日”同辉实验1


“多日”同辉实验2


“多日”同辉实验3


“多日”同辉实验4


“多日”同辉实验5



“多日”同辉实验6


“多日”同辉实验7


“多日”同辉实验8


“多日”同辉实验9


“多日”同辉实验10

通过以上实验一、实验二、实验三,得出如下结论(或推论)

1、彩虹是太阳光照射在水面上水分子对太阳光粒子的折射、散射、衍射现象。

实验证明,形成彩虹(霓虹)的真正原因是太阳光照射在一个高空上面具有一定体积且表面为圆形或椭圆形的圆柱形体积“水池”的水面上的折射(散射、衍射),而且这个水面具有一定的深度(也可以是细小的水珠重叠而形成的圆柱形“水池”),水质清澈、透明。太阳的光在比较强烈下,在水池的正X与正Y轴60度--15度(至水平X轴)的角度射入,在通过圆体型的水池面后,从水池的中心负Y轴(垂直)0度至45度(负Y轴向X方向即第三象限)折射成彩虹。在5度至10度之间最为壮观、规则。 这也许又是彩虹(霓)为什么会是圆弧形的缘故。
按照这个意义,彩虹(霓虹、幻日弧光)是太阳光粒子照射到具有圆形体积结构的水分子时的折射(散射、衍射)现象,当水分子的密度(厚度)达到一定程度,并具有一定的形状时,照射的太阳光粒子就会发生折射(散射、衍射),形成彩虹(霓虹、幻日弧光)。

2、彩虹(霓虹)只有在光的较暗处才能被折射(散射、衍射)出,而且必定在太阳光照的另一面。这个折射只有在太阳光的阴影的一个净面,这个净面如同一个墙面或者背景巨布能够成像。也就是说这个墙面巨布是不能让太阳光直接照射。成像墙面越暗彩虹(霓虹)越显,清晰度越高。

3、彩虹(霓虹)的形成有严格的要求并严格按照一定的顺序要求排列。太阳光必须强烈,在特定的角度才能形成,并按照赤橙黄绿青蓝紫排列。实验证明,只有太阳光与水面特定角度的照射角度时才会形成彩虹。太阳照射的角度变化,使得彩虹(霓虹)形成图像发生变化,有时清晰,有时模糊,有时分散光弧,有时会成为明亮的光弧。彩虹成像与圆柱形的水面和形成彩虹的距离成正比,即水面积愈大,距离愈大,形成的彩虹愈大,宽度愈大;清晰度与形成彩虹的距离成正比,在适中的位置呈现出最规则的彩虹成像。太阳光愈强,形成的彩虹(霓虹)愈鲜艳、清晰,层次感愈强。与太阳照在水面的角度有关,随着太阳照射的角度的变化,有时出现颜色次序变化,有时会形成多个彩虹(霓虹)的重叠,即折射出多个彩虹(或霓)。这就是在我们看到的有时是彩虹,有时会是霓,有时会是“倒挂彩虹”(幻日弧光)。其实是太阳照射的角度的变化和我们观察的位置不同所致。事实上两个或者两个以上彩虹的并列或重叠,就会出现颜色带次序的变化——彩虹与霓的成像(如彩虹实验6、7、8的成像)。

4、太阳的光环和天空中多个太阳也是这个原理。这种现象也能解释太阳光环和形成多个太阳。这是由于:一是太阳照到的呈多边角形的透明水池,且角度和夹角不同。当太阳与多边角形的透明水池水面形成一定照射角度时,彩虹(霓虹)的弧变成一条直线,会出现几个等距离的亮光点;二是太阳照到多边角形的透明水池时,折射出了多个聚光点(如“多日”同辉实验照片)。这就是天空出现两个和多个太阳的本源。随着对呈多边角形的透明“水池”的调整,折射出的光点会发生不断变化(在内圈和外圈都会发生变化)。在内圈有时是一个,有时会有两个,偶尔也会有三个、四个,而这种现象只是对一个侧面(由于受实验条件的限制,不能反映出整个成像)。在外圈则会有三个甚至多个光亮点出现,当水面摆动时光亮点会上下波动。由于太阳质量之大,体积之大,足以折射出一个特大的成像,这样就会出现几日同辉的现象——四日同辉,多日同辉。如果我们能够站在一个合适的位置去看,太阳的折射会是一个以太阳所照到呈多边角形的透明水池水面为中心(或者是以太阳)的与全周折射的多个光环上的多个光亮点(小太阳),而不仅仅是一个或几个。 从这个意义上讲,“多日同辉”是太阳光粒子照在具有多棱型体积的水池时的折射(散射、衍射)现象。

5、太阳照在圆柱体或者多边角形的透明“水池”水面上的折射,其实是以照射的水面为圆心的折射光环(有时是一个,有时会是几个)。是以水面为中心的负Y轴的圆锥体的多层折射。彩虹(霓虹)和光亮点(小太阳)的亮度(清晰
度)与容器的透明度和水的纯净度有关,透明度和纯净度越高,形成的光亮点和
成像越清晰。由于受实验条件的限制,这些只是证明这些想象的产生,还不够具体,也不能十分准确的计算出具体角度,还望理解!

三、成像分析示意图


彩虹形成图示1


当∠3变小时,彩虹成像向以水面为中心Y轴方向移动。


彩虹形成图示2


当∠3变大时,彩虹成像向以水面为中心Y轴反方向移动。


“多日同辉”形成图示1


当∠4变小时,彩虹成像向以水面为中心Y轴方向移动。


“多日同辉”形成图示2


当∠4变大时,彩虹成像向以水面为中心Y轴反方向移动。

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