彩虹vs雾虹：形成原理与视觉差异的大气光学对比

我们来详细对比一下彩虹和雾虹这两种令人着迷的大气光学现象，重点分析它们的形成原理和视觉差异。

• 彩虹： 由较大的雨滴（直径通常 > 0.5 mm）引起，主要涉及折射和反射。
• 雾虹： 由极小的水滴（直径通常 < 0.05 mm）引起，主要涉及衍射（光的波动性）。

彩虹的形成：

• 当阳光照射到球形雨滴时，光线首先在雨滴表面发生折射进入水滴内部。
• 由于水的折射率不同，不同波长的光（颜色）折射角度略有不同（色散），红光偏折最小，紫光偏折最大。
• 光线在水滴内部传播，到达水滴另一侧的内壁时，大部分光线发生一次内反射。
• 反射后的光线再次到达水滴表面（靠近入射点一侧）时，再次发生折射离开水滴。
• 这个特定的光路（折射-一次内反射-折射）导致离开水滴的光线集中在一个很窄的角度范围（~42°）内，并且不同颜色的光集中角度稍有不同，形成从外（上）到内（下）依次为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫的彩色光带。这就是主虹。
• 经过两次内反射的光线形成角度更大的副虹（霓），颜色顺序反转（外紫内红）。

雾虹的形成：

• 当光线遇到极其微小的雾滴（远小于可见光波长或与之相当）时，光线的主要作用不再是遵循几何光学的折射和反射定律。
• 此时，衍射效应变得极其显著。衍射是光作为一种波绕过障碍物边缘传播并发生干涉的现象。
• 光波在遇到微小雾滴时，会绕过雾滴并在雾滴后方发生复杂的干涉。
• 对于所有波长的可见光，其衍射角度的差异很小。更重要的是，由于水滴极小，光波在衍射过程中强烈重叠。
• 这种重叠导致不同颜色的光无法有效分离，它们混合在一起，最终呈现为白色或非常淡的蓝白色。
• 在特定角度下（通常比彩虹小几度），衍射光会增强，形成那个朦胧的白色光弧。微弱的色散效应有时会在边缘产生极淡的红蓝边。
• 雾滴太小，无法有效形成清晰的内反射路径，因此几乎看不到霓。

彩虹和雾虹虽然都是背对太阳出现的圆形光弧，但其本质截然不同：

• 彩虹是“几何光学”的产物： 大水滴的折射和反射清晰地分离了颜色。
• 雾虹是“波动光学”的产物： 微小水滴的衍射模糊地混合了所有颜色，呈现为白色。

下次如果你在薄雾或蒸汽中看到一个朦胧的白色圆弧，不要误以为是“褪色的彩虹”，那很可能就是神秘而美丽的雾虹！它提醒我们，光的性质（粒子性 vs 波动性）在不同尺度下展现出截然不同的魅力。