水滴是圆的,反射的阳光形成的虹也应该是圆的,只是在地面上观测受到限制,才无法看到圆的虹
彩虹是因为阳光射到空中接近圆型的小水滴,造成色散及反射而成。阳光射入水滴时会同时以不同角度入射,在水滴内亦以不同的角度反射。当中以40至42度的反射最为强烈,造成我们所见到的彩虹。造成这种反射时,阳光进入水滴,先折射一次,然后在水滴的背面反射,最后离开水滴时再折射一次。因为水对光有色散的作用,不同波长的光的折射率有所不同,蓝光的折射角度比红光大。由于光在水滴内被反射,所以观察者看见的光谱是倒过来,红光在最上方,其他颜色在下。
造成彩虹的光学原理很多时候会见到两条彩虹同时出现,在平常的彩虹外边出现同心,但较暗的副虹(又称霓)。副虹是阳光在水滴中经两次反射而成。两次反射最强烈的反射角出现在50°至53°,所以副虹位置在主虹之外。因为有两次的反射,副虹的颜色次序跟主虹反转,外侧为蓝色,内侧为红色。副虹其实一定跟随主虹存在,只是因为它的光线强度较低,所以有时不被肉眼察觉而已(参看)。
彩虹其实并非出现在半空中的特定位置。它是观察者看见的一种光学现象,彩虹看起来的所在位置,会随著观察者而改变。当观察者看到彩虹时,它的位置必定是在太阳的相反方向。彩虹的拱以内的中央,其实是被水滴反射,放大了的太阳影像。所以彩虹以内的天空比彩虹以外的要亮。彩虹拱形的正中心位置,刚好是观察者头部影子的方向,虹的本身则在观察者头部的影子与眼睛一线以上40°至42°的位置。因此当太阳在空中高于42度时,彩虹的位置将在地平线以下而不可见。这亦是为甚么彩虹很少在中午出现的原因。
彩虹由一端至另一端,横跨84°。以一般的35mm照相机,需要焦距为19mm以下的广角镜头才可以用单格把整条彩虹拍下。倘若在飞机上,会看见彩虹会是原整的圆形而不是拱形,而圆形彩虹的正中心则是飞机行进的方向。
在民航飞机正常高空飞行的情况下是看不到彩虹的。
因为彩虹是光线透过水珠折射形成的,在高空,光线是经过散射进入人的眼球,所以白光不会发散,也就看不到彩虹。
如果在还没有进入大气层的时候进行低空飞行的时候才是有机会看得到彩虹的:考虑以通过眼睛平行于入射阳光之直线为转轴,旋转在眼中造成彩虹的入射光线,这时进到眼睛的折射色光,会转出一个圆锥面。如果入射光不平行于地面(例如下午3点时),这个圆锥面投射到我们眼里,看起来只是一段短圆弧。但是到了傍晚阳光平行于地面时,我们眼中的彩虹,就几乎是正半圆。 同样的道理,在飞机上没有地面把下半个圆挡掉,如果太阳光这是平射过来,就可以看到一个整圆。