“圆形” 的关键:观测点、太阳、水滴的几何关系
彩虹的形状由观测者、太阳、水滴群三者的相对位置严格决定,核心是 “固定的光程差与视角”:
太阳必须位于观测者的正后方(通常是低角度,如日出 / 日落时),观测者面向的是空中的水滴群。
经过水滴折射反射后的单色光,只有在与 “太阳 - 水滴 - 观测者” 形成固定角度(约 42°,红光略大、紫光略小)时,才能进入观测者的眼睛。
从几何上看,以 “观测者眼睛” 为顶点、以 “太阳光线反向延长线” 为轴线,所有满足 42° 视角的水滴,会形成一个圆锥面。这些水滴反射的彩色光,在观测者眼中就汇聚成一个以 “太阳反方向点”(称为反日点)为中心的圆形光环 —— 这就是完整的彩虹。
这幅图展示了观察者、太阳和水滴之间的几何关系,以观察者的眼睛为顶点,太阳光线反向延长线为轴线,与视线成 42° 夹角的水滴构成了一个圆锥面,圆锥面与水平面的交线就是我们通常看到的彩虹弧。