彩虹有可能是一個完整的圓嗎?

會,彩虹確實可以是一個完整的圓。但原因大概不是這個問題想的那樣。這個問法暗示著,一道更大的彩虹或許會一路彎繞成一個環,但事情並不是這樣運作的。這裡有個奇怪的地方:你這輩子看過的每一道彩虹,其實早就是一個完整的圓。你只是幾乎從來沒機會看到它的全貌。

這個形狀,來自光在雨滴裡做的事。陽光射入雨滴,在裡面來回反射,再以大約 42 度的固定角度離開。這個角度不是隨便量的。它是從天空中一個非常特定的點量起的,這個點叫作反日點(antisolar point),也就是正對著太陽的那個點。從太陽拉一條線,穿過你的頭,再往另一側延伸出去;那條線落下的地方,就是反日點。每一顆把光以 42 度角送回你眼睛的雨滴都會亮起來。而由於這個角度在反日點四周的每個方向上都相同,所有這些發亮的雨滴便勾勒出一個圓。

那我們為什麼通常只看到一道弧?看看那個圓的圓心落在哪裡就知道了。反日點正對著太陽,所以只要太陽還掛在天上,反日點就會落在地平線以下。彩虹那個圓的下半部,就會落在地面底下,而地球乾脆把它切掉。剩下探出地平線的那部分,就是我們熟悉的那道弧。

「最大」彩虹這個念頭,就是在這裡站不住腳。那個圓本身從不改變大小。不管是哪一場暴雨、哪一個太陽,圓上的每一點永遠都落在離反日點大約 42 度的方向上。會變的,是你剛好能看到這個固定圓的多少比例。彩虹從不會長大。你只是有時能把同一個環看得更清楚而已。

站在平地上,你能看到的範圍有個硬性上限。你頂多只能看到完整的半圓,而且只有在日出或日落、太陽正好貼著地平線的那一刻才會發生。那一刻反日點也正好在地平線上,於是一個完整的半圓便挺立在地面之上。隨著太陽愈升愈高,圓心也跟著往下沉,那道弧便隨之縮小。一旦太陽升到地平線以上約 42 度,整道彩虹就沉出視線之外。這正是為什麼你很少在正午看到彩虹。

想突破那個半圓的上限,看到真正的環,你得改變自己的位置,而不是苦等一道更大的彩虹。訣竅是讓雨滴落在你下方,這樣就沒有地面能切掉下半部了。這正是為什麼完整的圓形彩虹,往往是在飛機上,或是陣雨中站在高山頂上才會出現。當雨落在你腳下,完整的 360 度光環就會現身,還常常整齊地環繞在飛機的影子四周。

把彩虹想像成一個漆在天上的巨大呼拉圈,圓心正好落在你自己頭部的影子上。站在地面時,你的身體和堅實的大地擋住了呼拉圈的下半部,所以你看到的是一道拱。把自己抬到落雨之上,不管是在飛機裡還是站在山峰上,就沒有東西能遮住底部了。整個呼拉圈會一次現身。

所以,對這個問題最誠實的回答,其實是一次善意的更正。圓形彩虹確實存在,飛行員也經常拍到它們。但它們不是更大的彩虹。它們就是每道彩虹本來就是的那個 42 度的圓,只是終於被完整看見了。在這下面的平地上,你這輩子能捕捉到的最壯觀的一道,就是黎明或黃昏時分的那個半圓。

參考資料

  1. What Causes a Rainbow? – NOAA NESDIS(什麼造成了彩虹?-NOAA NESDIS)
  2. Rainbow – National Geographic Education(彩虹-國家地理教育)
  3. Low and High Rainbows – Atmospheric Optics(低空與高空彩虹-大氣光學)
  4. The Antisolar Point – Atmospheric Optics(反日點-大氣光學)

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