【从大自然中学习】彩虹

神奇的自然现象——彩虹

夏日，一阵雨过后，天空中出现了一道由大自然在空中绘制的、拥有七种颜色的拱形彩虹桥，它会让人停下脚步，发出感叹。
彩虹出现在降雨即将开始前或雨停之后不久，且出现在人所处位置与太阳相反的方向。彩虹是由于阳光照射到空气中的水滴粒子时，水滴粒子起到了三棱镜的作用，将太阳光的可见光分散并折射而产生的现象。由于光的波长不同，折射系数低的红色在最外侧；相反，波长短、折射系数高的紫色在最内侧，于是便形成了“红橙黄绿青蓝紫”的彩虹。
雨后并非总是会出现彩虹，只有当光源太阳和充当三棱镜的水滴位于彼此相反的方向时，彩虹才会出现。彩虹容易形成的条件是，在太阳刚刚升起后的清晨或日落前的傍晚，当阵雨来临或阵雨过后不久，正处于太阳相反方向的时候。
如果在早晨看到彩虹，那么下雨的概率就很高。因为早晨太阳从东方升起，所以出现彩虹意味着西边有乌云。而乌云通常是从西向东移动的，所以随着时间的推移，乌云大概率会移动到我们所在的位置。

关于彩虹的回忆
对于主要利用计算机辅助数值分析的我来说，“红橙黄绿青蓝紫”的彩虹颜色有着特殊的意义。当计算机由绿色或黑白显示器过渡到彩色显示器时，能够呈现颜色的计算机既神奇又美丽。苹果电脑公司为了突出彩色显示器，在苹果II代电脑的苹果标志上涂上了彩虹的颜色。当配备彩色显示器的电脑推出时，苹果II代电脑成为了许多人梦寐以求的产品。
一想到彩虹，我就会想起小时候科学课上的三棱镜实验。仅仅是让透明的光穿过三棱镜，就出现了像彩虹一样的颜色，真是神奇。而且，虽然肉眼看不到，但老师说红色之外是“红外线”，紫色之外是“紫外线”，不知为何，我总感觉那是隐藏着的未知领域。
我们所说的“看到”，是指光“被物体反射”或“发散”后，被眼睛中的光感受器（感知光的细胞）所感知。如果没有光，物体反射的光就不会进入眼睛，我们也就无法识别该物体。在夜晚或黑暗的房间里，即使眼睛睁得再大，如果没有光，信息就无法进入眼睛，所以我们什么也看不见。人类的眼睛能够感知的光的领域被称为可见光领域。

就像声音有频率一样，光也有波长。人类能够看到的可见光的波长范围在380到750纳米之间。在可见光中，波长最长的颜色（红色）之外的领域被称为红外线（infrared, IR，波长大于700纳米），波长最短的颜色（紫色）之外的领域被称为紫外线（ultraviolet, UV，波长小于400纳米）。
红外线是1800年由德国科学家威廉·赫歇尔在测量阳光通过三棱镜后的每种颜色的温度时首次发现的。他发现，在可见光领域之外，温度计显示的温度更高，由此他推测还存在着我们肉眼看不到的其他光。红外线之所以叫红外线，是因为它位于可见光中红光的外侧。我们常见的热成像相机就是一种通过检测红外线来判断物体温度的特殊相机。

红外线相机
如果没有光，人眼就无法通过可见光的反射看到物体。然而，通过属于可见光之外领域的红外线，即便没有光我们也能够看到物体。红外线相机能够捕捉物体发出的红外线（热线）的波长，将其转换为电子信号，然后进行视觉处理，从而使我们能够看到物体。
就像人们从蝙蝠利用人类听不到的声音（超声波）在黑暗的夜晚也能飞行无阻这一现象中得到启发，进而发明出了“雷达”一样，红外线相机也是从人类看不到的可见光光谱之外的红外线中找到了答案。
人们通过这项技术研制出了前视红外仪，它一般安装在无论平时还是战时、无论白天黑夜都需要执行紧急救援任务的飞机上，用于夜间人员救援工作。
红外线相机在新冠疫情期间也逐渐为人们所熟知。然而，基于同样原理、通过检测红外线波长来工作的红外线传感器，很早以前就已经广泛应用于各个家庭，如玄关灯、安保设备等。
通过三棱镜对光的光谱和彩虹的研究，让我们知道了光不仅有可见光领域，还有可见光以外的领域。

与彩虹相似的自然现象及通过自然现象进行的预测
与彩虹相似的自然现象有“日华”现象。这是一种以太阳或月亮为中心，出现完整圆形白色光环的现象。如果我们看到日华或月华，这说明很有可能会有乌云凝集，下雨的可能性很大。
“宝光环（glory）”现象是微小的水滴或冰晶与光接触时出现的现象。当飞机在空中飞行时，阳光会在云层上投下飞机的影子，此时在飞机影子周围会出现类似彩虹的光环。当大气温度降至零下时，如果出现了宝光环现象，那么飞机在云层飞行中，机翼上可能会出现结冰现象。

从自然中获得的智慧
如今，几乎没有人会通过观察天空来预测天气了。因为大家都有智能手机，可以实时接收超级计算机预测的气象局天气预报。所以，天空中的彩虹常常被人们仅仅视为一种美丽的自然现象。然而，像彩虹这样的自然现象都有着产生的原因，祖先们也从这些自然现象中获得了生活的智慧。
如果我们早晨看到彩虹，那么下雨的可能性很高；如果我们傍晚看到彩虹，那么天气转晴的可能性很高。如果我们看到双彩虹，说明天气极其不稳定，可能会伴有强降雨。此外，“彩虹”也为开发像红外线相机这样能够通过视觉看到物体的检测技术提供了灵感，即使在没有可见光的条件下，也能使红外线和紫外线等可见光以外的光可视化。