彩虹为什么是弧形，而不是完整的圆形，阳光经过水滴折射反射，为什么会形成固定的七彩色彩顺序？

彩虹本来就是一个圆。只要位置合适，看到的就会像这样：

之所以，我们看到的都是一个拱门的弧型形状，像下面这样，是因为地面挡住了圆环的下半圈。

但是不是所有的位置都可以看到彩虹，这里有一个关键的角度 40-42 度，那这个角度是怎么来的呢？

彩虹形成的基本原理是光的色散，即光的不同波长在介质中的传播速度不同，从而导致折射率不同。在彩虹这个问题中，光在水中的速度会降低，不同波长的光会以不同的速度传播，短波长的蓝光和紫光在介质中的速度比长波长的红光慢。

所以，按照 snell 定律，sinθ1/v1=sinθ2/v2 ,红光具有更小的折射角度。

好了，那么当雨后空气中充满了小水滴，而此时有又有阳光照射，就有可能出现彩虹。假设下图蓝圈是亿万颗小水滴中的一个，黑色虚线是此时太阳光照射来的自然光，那么太阳光就会在这颗小水滴中发生如下图所示的色散，具体说就是在 A 点发生折射，然后在 B 点发生全反射，C 点再次折射。

值得注意的是，想要形成明显的色散，进而形成明显的彩虹，需要太阳光在 A 点的入射角和在 C 点的出射角有一定的角度才可以，过大或者过小都会导致色散变弱，进而导致彩虹不可见，理想的角度是：太阳光入射的延长线和红光出射的延长线交角在 42 度，如下图标记。

太阳光入射的延长线和紫光出射的延长线交角在 40 度，如下图^[1]所示。

那么，水滴色散后，怎么形成彩虹呢？

要知道这样的水滴有亿万个，下图画了一个示意图，黑色是入射的平行太阳光。为了做图清晰，我只展示了赤黄青紫四个颜色，不同位置的水滴同时发生光的色散，然后聚焦在人眼处，所以，这时候人眼中看到了多种颜色的自然光。

彩虹通常出现在太阳的对侧，也就是说，太阳在人的背后，观察者面向水滴时才能看到彩虹。

一个立体图的展示如下图。一个地面上的观测者可以在角度合适的时候（太阳光入射和小水滴散射的出射角夹角在 40-42 度之间），看到半圈的彩虹；这时候，地面把你视线以下的部分遮挡了，40–42° 光锥与雨滴幕只在地平线以上有交线，所以是一个拱形。

但是如果观测者在高处，如下图，就可能看到整个彩虹，就像题目里描述的那样。

这时候，人视线的下方也有大量悬空雨滴，地平线不再把圆的下半截挡住，所以整个圆形彩虹都能展示出来，当然前提是雨滴分布要足够广。图里的彩虹的边界的红光对应的观测夹角是 42 度；而紫光边界对应的观测夹角是 40 度。

当然，也可以这么理解：彩虹出现的关键是观测位置符合 40-42 度的角度，当这个角度固定了，就好比，我们拿着圆规，固定角度 40 和 42 度，然后圆规的一条腿固定指向人眼，另一个条腿转圈，形成的路径就是彩虹的边界(40- 紫光边界，42- 红光边界)。如果是在地面空间有限，就只有半个圆，如果是在高空，空间充足，这样整个圆形彩虹都能展示出来。

总结一下就是，彩虹之所以是圆的，是因为光在小水滴内经过折射和反散后，出射角和入射角满足特定夹角，以人眼为中心观测不同位置同一角度的出射光，就会看到圆形。

最后贴一张我在尼亚加拉瀑布拍到的彩虹：

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哦对了，还有这种双彩虹，下图是我在瀑布下面拍摄到的双彩虹。

这种彩虹有一个特点，就是内圈主彩虹中，弧线的外部显示红色，内部显示紫色。它的形成原因桶上。

但是，第二道彩虹，它的颜色顺序相反，弧线内侧为红色，外侧为紫色。

下图是双彩虹形成的光路径图^[2]，简单说，双彩虹的第二道彩虹是由于光在离开液滴之前在液滴内部反射了两次造成的，如下图左上。

好了，就这样了...