彩虹外圈光晕变淡成因：二次反射的光强衰减定律

彩虹外圈光晕（霓）变淡的主要原因正是光线在雨滴内经历了两次反射，以及随之而来的光强衰减定律（主要是菲涅耳反射定律和光束扩散效应）。以下是详细解释：

二次反射是关键区别：

• 主虹（内圈）： 光线在雨滴内经历 一次内部反射 后折射出雨滴。
• 霓（外圈）： 光线在雨滴内经历 两次内部反射 后折射出雨滴。

光强衰减定律的作用： 每次光线在雨滴内部的空气-水界面上发生反射时，都不是100%反射的。根据菲涅耳反射定律，总有一部分光能会透射出水滴（损失掉），只有一部分光能反射回水滴内部。具体反射率取决于入射角和光的偏振状态，但对于彩虹形成所需的角度范围，每次反射大约会损失掉 10%-20% 或更多 的光能。

霓变淡的核心机制：

• 双重反射损失： 霓的形成需要两次内部反射，而主虹只需要一次。这意味着霓的光线在雨滴内部多经历了一次反射界面。
• 每次反射损失能量： 每一次反射都依据菲涅耳定律损失一部分光强。假设每次反射损失约15%的光强（这是一个简化平均值，实际随角度变化），那么：
  • 主虹光线：经历1次反射，剩余光强 ≈ 原始光强的 85%。
  • 霓的光线：经历2次反射，剩余光强 ≈ 原始光强的 85% * 85% = ≈ 72.25%。
• 这多出来的一次反射，直接导致了霓的原始光强显著低于主虹的原始光强。这就是霓看起来更暗、颜色更淡的最主要原因。

其他加剧霓变淡的因素：

• 光束扩散（立体角增大）： 霓的形成角度（相对于太阳的视角）比主虹更大（主虹约42°，霓约51°）。这意味着从单个雨滴射出的、形成霓的光线，其出射方向比形成主虹的光线更加“散开”。相同数量的光线分布在一个更大的立体角（空间角度范围）内，导致该方向上的光强密度进一步降低（类似于手电筒光斑越大中心越暗）。
• 更长的光路与散射： 经历两次反射的光线在雨滴内部和穿过大气到达观察者的路径通常更长。更长的路径增加了光线被大气分子或气溶胶散射（瑞利散射、米散射等）而损失的机会，进一步削弱了到达眼睛的光强。
• 雨滴大小分布的影响： 较小的雨滴对光的衍射效应更明显，会使虹和霓的边缘更加模糊。由于霓本身光强就弱，这种模糊效应更容易让它看起来更淡，甚至难以分辨颜色。

霓的特征（与主虹对比）：

• 亮度/饱和度： 显著变淡，颜色饱和度低。
• 颜色顺序： 反转（外红内紫，与主虹的外紫内红相反）。这是因为两次反射改变了光线在雨滴内偏折的顺序。
• 宽度： 通常比主虹更宽（部分原因是光束扩散效应）。
• 可见性： 通常比主虹更难观察到，尤其是在背景光较强或大气条件不佳时。

总结：

霓（彩虹外圈光晕）变淡的最根本原因在于其形成需要光线在雨滴内经历两次反射。根据菲涅耳反射定律，每次反射都会损失一部分光强。两次反射造成的双重能量损失，使得霓的原始光强远低于主虹。光束在更大立体角内的扩散、更长的光路导致的散射损失以及雨滴大小的影响进一步加剧了霓的暗淡和模糊程度。因此，“二次反射的光强衰减定律”准确地抓住了霓变淡的核心物理机制。