文／簡麗賢

雨過天晴，常出現令人驚豔的彩虹，是陽光和水珠邂逅的色散現象。走向大自然，看到彩虹並不稀奇，但要看到出現於空中持續長達近9小時的彩虹，或是全圓的彩虹，就需要天時地利人和的條件，非常難得。

談到高掛天空9小時的彩虹，回顧2017年11月30日，陽明山文化大學出現持續長達9小時的彩虹，打破英格蘭創下的6小時紀錄，獲得金氏世界紀錄認證。

光學色散 彩虹現身



彩虹現象是光學色散（dispersion）的體現。下雨後，大氣層水珠含量多，太陽一露臉，陽光普照大地，大氣中的水珠如同三稜鏡，陽光通過水珠後，不同色光的路徑會分開，觀察者觀看時，視線隨光的路徑延伸，不同顏色的光就像來自不同位置。由這個成因了解，如果想看到彩虹，一定要有陽光和水珠，我們觀察者的位置要背向太陽，亦即太陽在地平線東方時，彩虹必定在西方。

光因折射 分散色光



色散是指太陽光通過三稜鏡或水珠時分散成紅、橙、黃、綠、藍、紫等色彩。因為光線通過不同物質時，傳播速率改變而產生偏折，稱為折射。不同頻率的可見光對稜鏡或水珠而言，具有不同的折射程度，也就是各色光通過稜鏡或水珠時的傳播速率不同，折射角度也不同，因此水珠與稜鏡可以把可見光波段「分離解散」，產生色散的現象。

天空出現彩虹時，可能看到虹外的霓，虹霓往往姊妹情深，「連袂」演出大自然驚豔的戲碼。虹霓現象都是因為陽光照射懸浮於空中的水滴，透過光線在水珠內的折射與反射的光學路徑不同所造成。從地面仰望，虹位置較低，色彩排列是內紫外紅，而霓的仰角較大，色彩排列與虹相反，呈現內紅外紫。

折射反射 散發七彩



為什麼會這樣呢？以虹為例，平行地面入射水滴的陽光，進入水滴的位置不同，在水滴內經過兩次折射與一次反射後，以不同角度射出。與地面夾角約42°時，折射而出的紅光的強度最大；與地面夾角約40°時，折射而出的紫光強度最大，因此在地面的我們看到虹。由於紫光偏折後的仰角較低，紅光偏折後的仰角較高，故虹的色彩排列是內紫外紅。

霓的成因則是平行地面入射水滴的陽光，在水滴內經過兩次折射與兩次反射後，以不同角度折射而出。與地面夾角約為51°時，折射出來的紅光強度最大；與地面夾角約54°時，折射而出的紫光強度最大。

霓在虹外 光度較弱



由於紅光的仰角較低，霓的色彩排列為內紅外紫，與虹恰好相反。霓出現的仰角比虹稍高，由於陽光在水珠內比虹多經過一次反射，故色彩強度比虹弱、顏色比虹淡，因此我們常稱霓為「次虹」。

至於陽明山的天空出現延續9小時的彩虹，除了天氣條件配合外，與季節及地理位置的關係甚鉅，所謂的天時是指當日天氣合適，東北季風帶來水氣，上坡後因地形抬升，水氣凝結成水珠，加上太陽的仰角較低，形成彩虹的必要條件陽光和水珠一應俱全；地利是指文化大學所在位置很適合看到低仰角的彩虹；人和是指這道彩虹出現時，文化大學師生全力持續捕捉與拍攝虹霓姊妹的倩影，記錄相關科學資料，終於串成千載難逢的彩虹紀錄。