彩虹（Rainbow）是一种气象现象，它是由光线在水滴中的反射，折射和散射引起的，从而导致出现在天空中的光谱。 它采取多彩圆弧的形式。 阳光造成的彩虹总是出现在与太阳直接相对的天空部分。
彩虹可以是整圆。 然而，观察者通常只能看到由地面上的照明液滴形成的弧线，并且以太阳线到观察者的眼睛为中心。
在初级彩虹中，电弧在外部显示为红色，在内部显示为紫色。 这种彩虹是由光线在进入一滴水时折射而形成的，然后在液滴背面反射并在离开时再次折射。
在双彩虹中，在主弧外看到第二个弧，并且其颜色顺序颠倒，在弧的内侧呈红色。 这是由于在离开它之前光在液滴内部被两次反射所引起的。
概观
彩虹并不位于观察者的特定距离处，而是来自相对于光源从某个角度观察到的任何水滴造成的视错觉。 因此，彩虹不是一个物体，不能在身体上接近。 事实上，观察者不可能以任何角度看水滴中的彩虹，而不是从与光源相反的方向以42度的通常角度观察水滴。 即使观察者看到另一个观察者看起来像“在”彩虹的“下面”或“末端”，第二个观察者会看到与第一个观察者看到的角度相同的不同的彩虹 – 更远。
彩虹跨越连续的色彩。 感知到的任何明显的乐队都是人类色彩视觉的人造物，在彩虹的黑白照片中看不到任何类型的条纹，只有平稳的强度等级达到最大值，然后向另一边消失。 对于人眼所见的颜色，最常被引用和记忆的序列是牛顿的七重红色，橙色，黄色，绿色，蓝色，靛蓝色和紫色，由记忆记忆中的理查德·约克给出了徒劳的战斗（ROYGBIV）。
彩虹可以由多种形式的空气中的水引起。 这些不仅包括下雨，还包括雾，喷雾和空气中的露珠。
能见度
每当空气中出现水滴和观察者后方在低海拔角度发出阳光时，都可以观察到彩虹。 正因为如此，通常在早晨的西部天空和傍晚的东部天空中会看到彩虹。 当一半的天空仍然乌云密布，天空下着雨，观察者在阳光明媚的天空中时，最壮观的彩虹表演就会发生。 其结果是与黑暗背景形成鲜明对比的发光彩虹。 在这样良好的能见度条件下，较大但较暗的二次彩虹常常可见。 它出现在主彩虹外约10°，颜色的顺序相反。
彩虹效应也常见于瀑布或喷泉附近。 另外，这种效应可以通过在晴天将水滴分散到空气中而人为地产生。 在月光强烈的夜晚，很少能看到月球，月球彩虹或夜间彩虹。 由于在低光下人类对颜色的视觉感觉很差，所以月亮通常被认为是白色的。
很难在一帧中拍摄完整的彩虹半圆，因为这需要84°的视角。 对于35毫米相机，需要焦距为19毫米或更小的广角镜头。 现在，可以将多幅图像拼接成全景图的软件可以从一系列重叠的相框中很容易地创建整个弧的图像甚至次弧。
从飞机上方的地球上方，有时可能会看到彩虹为一整圈。 这种现象可能与荣耀现象混淆，但荣耀通常要小得多，仅涵盖5-20°。
主彩虹内的天空比弓外的天空更亮。 这是因为每个雨滴都是球体，它将光线散射到天空中的整个圆盘上。 光盘的半径取决于光的波长，红光的散射角度大于蓝光的角度。 在大多数光盘上，所有波长的散射光重叠，导致白光照亮天空。 在边缘处，散射的波长依赖性引起彩虹。
原色彩虹弧线与弧线相切的角度为96％。 第二弧光是90％极化。
光谱或彩虹中的颜色数量
使用玻璃棱镜和点光源获得的光谱是无波段的连续波长。 人眼在光谱中能够辨别的颜色数量大约为100.因此，Munsell颜色系统（基于人类视觉感知的相同步数的用于数字描述颜色的20世纪系统）区分了100色调。 主色的明显的离散性是人类感知的人造物，主色的确切数量是一种有些随意的选择。
牛顿承认他的眼睛对辨别颜色并不十分重要，最初（1672年）将光谱分为五种主要颜色：红色，黄色，绿色，蓝色和紫色。 后来，他将橙色和靛蓝包括在内，通过类比音乐音符中的音符数量来提供七种主要颜色。 牛顿选择将可见光谱分成七种颜色，这是从古希腊诡辩家的信仰中衍生出来的，他们认为太阳系中的颜色，音符，已知物体与时代星期。
根据艾萨克阿西莫夫的说法，“习惯上把靛蓝列为蓝色和紫色之间的颜色，但在我看来，靛蓝是值得被视为一种独立的颜色的尊严，在我看来，它似乎只是深蓝色。 “
彩虹的颜色模式与光谱不同，颜色饱和度较低。 由于对于任何特定的波长，存在出射角度的分布，而不是单一的不变角度，所以在彩虹中存在光谱模糊。 此外，彩虹是从点光源获得的弓的模糊版本，因为与彩虹的宽度（2°）相比，太阳的光盘直径（0.5°）不能被忽略。 彩虹的色带数量因此可能不同于光谱带的数量，特别是如果液滴特别大或小。 因此，彩虹的颜色数量是可变的。 但是，如果彩虹这个词不准确地用于表示光谱，则它是光谱中主色的数量。
大家是否看到彩虹中的七种颜色与语言相对论的观念有关。 有人提出建议，认为彩虹是普遍存在的。 然而，最近的研究表明，所观察到的不同颜色的数量以及所谓的颜色数量取决于用语言颜色较少的人看到的离散颜色带较少的语言。
说明
当阳光遇到雨滴时，部分光线被反射，其余部分进入雨滴。 光线在雨滴表面折射。 当这些光照到雨滴的背面时，其中一些会从背面反射出来。 当内部反射的光线再次到达表面时，一些内部反射的光线会在内部反射，而另一些则在离开液滴时被折射。 （在第二次遇到表面之后，从落下反射出来的光线，从背面离开，或者继续在落下的内部弹回，与形成主彩虹无关）。整体效果是，部分入射光线在0°至42°范围内反射回来，最强光线在42°处反射回来。 该角度与下落的大小无关，但取决于其折射率。 海水具有比雨水更高的折射率，因此海水喷雾中“彩虹”的半径小于真彩虹。 由于这些弓的错位，这是肉眼可见的。
在42°左右返回光线最强烈的原因是这是一个转折点 – 光线落到最外面的光环上的光线会在小于42°的位置返回，就像光线照到靠近其中心的光线一样。 有一个圆形的光带全部返回到42°左右。 如果太阳是发射平行单色光线的激光，那么在这个角度下弓的亮度（亮度）会趋于无穷大（忽略干涉效应）。 （参见苛性（光学））。但是由于太阳的亮度是有限的，并且它的光线不是全部平行的（它覆盖了半个天空的程度），所以亮度不会达到无穷远。 此外，光线折射的量取决于其波长，因此也取决于其颜色。 这种效应被称为分散。 蓝光（短波长）以比红光更大的角度折射，但是由于来自液滴背面的光线的反射，蓝光从小液滴以比原始入射白光射线小的角度射出红灯。 由于这个角度，在主彩虹弧的内侧看到蓝色，而在外侧看到红色。 这样做的结果不仅是为了给彩虹的不同部分赋予不同的颜色，而且也是为了减少亮度。 （没有分散液体的液滴形成的“彩虹”将是白色的，但比正常的彩虹更亮。）
雨滴背后的光线不会经历全内反射，并且背后会有一些光线出现。 然而，从雨滴背面出来的光线不会在观察者和太阳之间产生彩虹，因为从雨滴背面发射的光谱没有像其他可见彩虹那样的最大强度，并且因此颜色混合而不是形成彩虹。
一个特定的位置不存在彩虹。 许多彩虹存在; 然而，根据特定观察者的观点，只有一个可以被看作是被太阳照射的光滴。 所有雨滴都以同样的方式折射和反射阳光，但只有来自某些雨滴的光线才能到达观察者的眼睛。 这光是那个观察者的彩虹所构成的。 由太阳光线，观察者的头部和（球形）水滴组成的整个系统围绕通过观察者头部的轴线和与太阳光线平行的轴线对称。 彩虹是弯曲的，因为在观察者，下落和太阳之间具有直角的所有雨滴都位于尖端观察者指向太阳的圆锥体上。 圆锥体的底部与观察者的头部和它们的阴影之间的线形成40-42°的圆，但圆的50％或更多低于地平线，除非观察者足够远离地球表面看到这一切，例如在飞机上（见上文）。 或者，具有正确有利位置的观察者可以在喷泉或瀑布喷雾中看到整个圆圈。
数学推导
我们可以确定彩虹如下所示的感知角度。
给定球形雨滴，并将彩虹的感知角度定义为2φ，内部反射角度为2β，则太阳光线相对于液滴表面法线的入射角为2β-φ。 由于折射角是β，斯奈尔定律给了我们
sin（2β-φ）= nsinβ，
其中n = 1.333是水的折射率。 解决φ，我们得到
φ=2β – arcsin（n sinβ）。
彩虹将出现在角度φ相对于角度β最大的地方。 因此，从微积分，我们可以设定dφ/dβ= 0，并求出β，这就产生了
将早期方程代入φ得到2φmax≈42°作为彩虹的半径角。
变化
多彩虹
二次彩虹是由雨滴内部阳光的双重反射引起的，并以太阳本身为中心。 它们大约为127°（紫色）至130°（红色）。 由于这个角度大于90°，所以它们在天空的同一侧看起来就像原来的彩虹一样，在50-53度的视角之上大约在10°以上。 由于副弓的“内侧”向观察者“上”，与主弓相比，颜色看起来颠倒。 二级彩虹比初级彩虹更暗淡，因为与一块彩虹相比，更多的光线从两个反射中逃脱，并且彩虹本身散布在更大范围的天空中。 每条彩虹反射其彩色条带内的白光，但主要是“下”，次要是“向上”。 在首次描述它的Aphrodisias的亚历山大之后，位于主要和次要弓之间的不亮天空的黑暗区域被称为亚历山大的带子。
配对的彩虹
与由两条分离的同心彩虹弧组成的双彩虹不同，非常罕见的双彩虹显示为从单个基座分裂出的两条彩虹弧。 第二个弓的颜色，而不是像第二个彩虹中的倒转，与主彩虹的顺序相同。 “正常的”二级彩虹也可能存在。 双胞胎彩虹可以看起来类似，但不应该与多余的乐队混淆。 这两种现象可以通过它们在色彩轮廓上的差异来区别对待：多余带由柔和的淡色调（主要是粉红色，紫色和绿色）组成，而成对的彩虹则与普通的彩虹具有相同的光谱。 孪生彩虹的原因是从天空坠落的不同大小的水滴的组合。 由于空气阻力，雨滴在跌落时会变平，并且在较大的水滴中变平更加突出。 当两个雨滴与不同尺寸的雨滴合并时，它们会产生稍微不同的彩虹，这些彩虹可能会结合并形成一对双色彩虹。 数字光线追踪研究表明，照片上的双色虹可以用0.40和0.45毫米液滴的混合物来解释。 液滴尺寸的微小差异导致液滴形状变平的小差异，以及彩虹顶部变平的很大差异。
与此同时，更罕见的彩虹分裂成三个分支的情况在自然界被观察和拍照。
全圆彩虹
理论上，每一道彩虹都是一个圆圈，但从地面看，只有它的上半部分可以看到。 由于彩虹的中心与太阳在天空中的位置完全相反，当太阳接近地平线时，更多的圆形出现，这意味着在日落或日出期间，通常看到的最大的圆圈部分约为50％。 观看彩虹的下半部分需要在观察者的地平线以下存在水滴以及能够到达它们的阳光。 观察者在地面时通常不会满足这些要求，要么是因为液滴不在要求的位置，要么是因为阳光被观察者背后的景观阻挡。 然而，从高层建筑或飞机等高端观点来看，可以满足要求，并且可以看到全圆彩虹。 像彩虹一样，圆形彩虹也可以有辅助弓或多余弓。 当站在地面上时，可以产生完整的圆形，例如通过在远离太阳的情况下喷洒来自花园软管的水雾。
圆形彩虹不应与荣耀相混淆，荣耀的直径要小得多，并且由不同的光学过程产生。 在正确的情况下，荣耀和（圆形）彩虹或雾弓可以一起出现。 另一个可能被误认为“圆形彩虹”的大气现象是由冰晶而不是液态水滴引起的22°晕圈，位于太阳（或月亮）周围，而不是与其相对。
多彩的彩虹
在某些情况下，在彩虹的紫边边缘可以看到一条或几条狭窄的淡色带; 即在主弓之内，或者更少，在次要之外。 这些额外的乐队被称为多余的彩虹或多余的乐队; 与彩虹本身一起，这种现象也被称为堆栈彩虹。 多余的蝴蝶结与主蝴蝶结略有分离，随着它们的距离逐渐变淡，并且具有柔和的颜色（主要由粉红色，紫色和绿色色调组成）而不是通常的光谱图案。 当涉及直径约1mm或更小的水滴时效果变得明显; 液滴越小，超编带变得越宽，并且它们的颜色越饱和。 由于它们起源于小水滴，多余的条带在雾霭中往往特别突出。
使用经典的几何光学技术无法解释多余的彩虹。 交替的弱光带是由光线之间的干涉引起的，光线稍微不同，雨滴内的长度略有不同。 有些光线是相位相通的，通过建设性干涉相互加强，形成一个明亮的光带; 其他则相差达半个波长，通过破坏性干扰相互抵消，并产生差距。 鉴于不同颜色光线的折射角度不同，对于不同颜色的光线，干涉图案略有不同，因此每个亮带的颜色都不同，从而形成微型彩虹。 当雨滴很小且尺寸一致时，超级雨点最为明显。 多余的彩虹的存在历史上首次表明了光的波动性，第一种解释是托马斯杨在1804年提供的。
反射彩虹，反射彩虹
当彩虹出现在水体上方时，可以在地平线下方和上方看到两条互补的镜子弓，由不同的光路产生。 他们的名字略有不同。
反射的彩虹可能出现在地平线下的水面上。 在到达观察者之前，太阳光首先被雨滴偏转，然后反射离开水体。 反射的彩虹经常可见，至少部分可见，即使在小水坑中。
如果水体很大，整个表面安静，并且靠近雨帘，则在到达雨滴前太阳光从水体反射的地方会产生反射彩虹（参见图表）。 反射彩虹出现在地平线上方。 它与地平线上的正常彩虹相交，它的弧线在天空中升高，其中心高于地平线，正常彩虹的中心位于地平线以下。 由于要求的组合，反射彩虹很少可见。
如果反射和反射彩虹恰好同时发生，则可以区分多达八根独立的弓：正常（非反射）初级和次级弓在地平线上方，它们的反射对应物在其下方，反射的一级和二级弓在地平线上方与他们反映的同行在下面。
单色彩虹
有时在日出或日落时可能会发生淋浴，其中较短的波长（如蓝色和绿色）已经分散并基本上从光谱中移除。 由于下雨可能会发生进一步的散射，其结果可能是罕见的戏剧性单色或红色彩虹。
高阶彩虹
除了常见的一次和二次彩虹外，还可以形成较高级别的彩虹。 彩虹的顺序取决于产生它的水滴内部的光反射次数：一次反射导致一阶或主彩虹; 两个反射创造二阶或二阶彩虹。 更多的内部反射会导致更高阶的弓 – 理论上无穷大。 随着越来越多的光线随着每次内部反射而消失，然而，随后的每一个弯曲变得越来越暗，因此越来越难以发现。 观察三级（或三级）和四级（四级）彩虹的另一个挑战是它们在太阳的方向上的位置（分别与太阳约40°和45°），导致它们陷入淹没它的眩光。
由于这些原因，大于2的自然发生的彩虹很难肉眼可见。 尽管如此，据报道，大自然中的三阶弓的出现已经有报道，并且在2011年第一次被明确拍摄。 不久之后，也拍摄了四阶彩虹，并于2014年发布了位于初级和次级弓之间的五阶（或五阶）彩虹的首张照片。
在实验室环境下，可以创建更高级的订单。 Felix Billet（1808-1882）描绘了直到19阶彩虹的角位置，他称之为“彩虹之玫瑰”。 在实验室中，通过使用激光产生的非常明亮和准直的光线，可以观察到更高阶的彩虹。 Ng等人报道了高达200阶的彩虹。 在1998年使用类似的方法，但氩离子激光束。
第三和第四彩虹不应与“三倍”和“四倍”彩虹 – 有时错误地用于指称 – 更常见的额外弓和反射彩虹混淆。
在月光下的彩虹
像大多数大气光学现象一样，彩虹可能是由来自太阳的光线，也可能来自月球。 在后者的情况下，彩虹被称为月球彩虹或月球。 它们比太阳能彩虹更暗淡更罕见，要求月亮接近满载才能看到它们。 出于同样的原因，月球通常被认为是白色的，可能被认为是单色的。 然而，全光谱存在，但人眼通常不够敏锐，看不到颜色。 长时间曝光的照片有时会显示这种彩虹的颜色。
Fogbow
ogbows与彩虹形成方式相同，但是它们由更小的云和雾滴形成，可以广泛地衍射光线。 它们几乎是白色的，外面有微弱的红色，里面是蓝色; 通常可以在内边缘内辨别出一条或多条宽的额外带。 颜色很暗，因为每种颜色的蝴蝶结都很宽，而且颜色重叠。 当与冷水接触的空气被冷却时，雾通常在水面上看到，但如果雾足够薄以使太阳照射并且太阳很亮，则它们可以在任何地方找到。 它们非常大 – 几乎和彩虹一样大，而且更宽广。 他们有时在弓的中心出现荣耀。
雾弓不应该与冰晕相混淆，冰晕在世界各地都很常见，并且比任何次序的彩虹更常见，但与彩虹无关。
环绕和环绕的弧线
环绕和弧形弧是与彩虹外观相似的两个相关光学现象，但与后者不同，它们的起源在于通过六角形冰晶而不是液态水滴的光折射。 这意味着他们不是彩虹，而是大家族光环的成员。
这两个圆弧都是以天顶为中心的鲜艳的环形分段，但在天空中的不同位置：圆周弧明显是弯曲的，位于太阳（或月亮）的上方，其凸面朝下（形成“上方向下彩虹“）; 弧形水平弧更接近地平线，更加直线，位于太阳（或月亮）下方的显着距离处。 这两条弧的红色侧面指向太阳，而其紫色部分远离它，这意味着在圆弧的底部是红色的，而圆弧的顶部是红色的。
有时候称错误的“火彩虹”为弧形弧。 为了观察它，太阳或月球必须至少高出地平线58°，这在高纬度地区是罕见的。 只能在太阳或月球高度小于32°的地方才能看到这种弧线，这种弧线比较常见，但由于它几乎直接在头顶上发生，所以常常被忽略。
泰坦上的彩虹
有人认为土星的月亮泰坦可能存在彩虹，因为它有潮湿的云层和潮湿的云层。 泰坦彩虹的半径大约为49°，而不是42°，因为在寒冷的环境中流体是甲烷而不是水。 尽管由于泰坦的朦胧天空，可见的彩虹可能并不多见，但红外线彩虹可能更常见，但观察者需要红外夜视护目镜才能看到它们。
不同材质的彩虹
由折射率不同于普通水的材料组成的小滴（或球体）产生具有不同半径角的彩虹。 由于盐水具有较高的折射率，因此如果在同一地点观察到海浪喷射弓不能与普通彩虹完美对准。 微小的塑料或玻璃弹珠可作为反光板用于道路标识，以提高司机在夜间的视野。 由于折射率高得多，在这种弹珠上观察到的彩虹的半径明显更小。 如照片所示，人们可以通过在空气中喷洒不同折射率的液体来轻松地再现这种现象。
由于不同折射率引起的彩虹位移可以推到一个特殊的极限。 对于折射率大于2的材料，没有角度满足一阶彩虹的要求。 例如，钻石的折射率大约是2.4，所以钻石球会从二次开始产生彩虹，省去一阶。 一般来说，当折射率超过数字n + 1，其中n是自然数时，n倍内部反射光线的临界入射角度会逃离域
实验
使用人造雨滴（即充满水的球形烧瓶）对彩虹现象进行的实验至少可以追溯到14世纪弗莱贝格的Theodoric。 后来，笛卡尔也用佛罗伦萨瓶研究了这种现象。 被称为佛罗伦萨彩虹的烧瓶实验今天仍然经常被用来作为彩虹现象的一个直观而直观的演示实验。 它通过屏幕上的一个孔照亮（平行白光）充满水的球形烧瓶。 只要屏幕足够大，彩虹就会出现在屏幕上。 由于人造雨滴的有限壁厚和宏观特性，与自然现象相比存在若干细微差异，包括稍微改变的彩虹角度和彩虹阶次的分裂。
一个非常类似的实验是使用装满水或实心透明圆柱的圆柱形玻璃容器，并且平行于圆形底座（即，光线在其通过圆柱体时保持在固定高度）或与底座成一定角度照射。 在这些后一种条件下，由于水的有效折射率改变（布拉维斯倾斜射线折射率适用），彩虹角度相对于自然现象而改变。
其他实验使用小液滴，参见上文。
文化
彩虹在神话中经常出现，并且已经在艺术中使用。 作为诺亚洪水故事的一部分，作为诺亚洪水故事的一部分，彩虹最早的文学作品之一是创世记第9章，它是上帝立约的标志，不会再次摧毁地球上的所有生命。 在北欧神话中，彩虹桥Bifröst连接着人类的世界（米德加德）和众神之王（阿斯加德）。 Cuchavira是当今哥伦比亚Muisca的彩虹之神，当波哥大热带稀树草原上的正常降雨结束时，人们感谢他提供黄金，蜗牛和小祖母绿。 通常认为爱尔兰妖精藏身于金罐的藏身之处在于彩虹的尽头。 这个地方适当地不可能达到，因为彩虹是一种无法接近的光学效果。
即使其多种颜色的特征并不真正适合通常的纹章风格，也有时会出现在纹章中的彩虹。
彩虹旗已被使用了几个世纪。 它代表了十六世纪德国农民战争中的合作运动，意大利的和平，以及20世纪70年代以来的同性恋自豪和LGBT社会运动。 1994年，德斯蒙德图图大主教和纳尔逊曼德拉总统将新民主主义的种族隔离后的南非描述为彩虹国家。 彩虹甚至已被用于技术产品标识，包括苹果电脑标识。 跨越多个政党的许多政治联盟都称自己为“彩虹联盟”。