彩虹本来就是一个圆。只要观测位置合适，看到的就会是一个完整的圆环，而不是我们习惯的那道拱门。

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之所以日常看到的都是弧形，原因很直接：地面挡住了圆环的下半圈。人站在地面上，视线以下的部分被地平线遮住，圆的下半截自然就看不见了。

但并不是站在哪里都能看到彩虹，这里有一个关键的角度区间：40到42度。这个角度是怎么来的，得从光在水滴里的路径说起。

彩虹形成的基本原理是光的色散，也就是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。光在水中的速度会降低，不同波长的光以不同的速度传播，短波长的蓝光和紫光在介质中的速度比长波长的红光慢。按照斯涅尔定律（sinθ1/v1=sinθ2/v2），红光具有更小的折射角度。

雨后空气中充满小水滴，此时又有阳光照射，就有可能出现彩虹。取其中一颗小水滴来看，太阳光会在水滴中发生色散：在A点发生折射，然后在B点发生全反射，C点再次折射。

想要形成明显的色散、进而形成明显的彩虹，太阳光在A点的入射角和在C点的出射角需要满足一定角度，过大或者过小都会导致色散变弱，彩虹也就不可见。理想的情况是：

  • 太阳光入射的延长线和红光出射的延长线交角在42度
  • 太阳光入射的延长线和紫光出射的延长线交角在40度

这样的水滴有亿万个。不同位置的水滴同时发生光的色散，然后聚焦在人眼处，人眼中就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。

一个地面上的观测者，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到42度之间），能看到半圈的彩虹。这时候地面把视线以下的部分遮挡了，40到42度光锥与雨滴幕只在地平线以上有交线，所以是一个拱形。

如果观测者在高处，情况就不一样了。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，整个圆形彩虹都能展示出来，前提是雨滴分布要足够广。此时彩虹边界的红光对应观测夹角42度，紫光边界对应观测夹角40度。

也可以这么理解：彩虹出现的关键是观测位置符合40到42度的角度。角度固定之后，就好比拿着圆规，固定40度和42度，一条腿固定指向人眼，另一条腿转圈，形成的路径就是彩虹的边界——40度是紫光边界，42度是红光边界。地面空间有限，就只有半个圆；高空空间充足，整个圆形彩虹都能展示出来。

总结一下：彩虹之所以是圆的，是因为光在小水滴内经过折射和反射后，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。

还有一种双彩虹。内圈主彩虹中，弧线的外部显示红色，内部显示紫色；第二道彩虹的颜色顺序相反，弧线内侧为红色，外侧为紫色。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。