高折射率為什麼出現彩虹現象

“毅力號”火星探測器於今年2月19日，在火星上順利著陸，目前已經向地球傳回了上千張火星照片。與探測器一起降落的，還有一個“黑科技”，那就是一架重量僅為1。8公斤的無人機。就在前幾天，“毅力號”釋放出了這架無人機，主要目的就是配合探測器更高效地確定行進路線。

其實，人類整個航天史的程序，都離不開使用空間探測器，來對地球和其它行星進行觀測，除了地球和月球以外，對火星的探測活動最為豐富。不過無論是火星的軌道探測還是地表探測，都帶有一定的侷限性。

比如，軌道探測器雖然能夠拍攝到大範圍的火星照片，但是由於距離較短，影象的解析度不太高。而進行地表探測的火星車，雖然能夠近距離拍攝到火星表面的影象，但是受火星地形條件的制約，移動能力和距離非常有限，很多區域火星車都無能為力。

基於這種情況，NASA研究人員創新性地實施了火星“無人機”計劃，透過在火星表面釋放無人機，既能滿足近距離觀測火星的需要，也能進一步彌補火星車“視野”上的不足。研究團隊針對火星表面上的自然環境狀況，特別是幾乎沒有大氣層、重力很小、溫度較低等與地球表面的巨大差異，研製出了用特殊材料製成的輕便無人機，具有體積和質量小、葉片細長且厚實、轉速快、耐受性強等特點，有力保障無人機能夠在火星特殊的環境下起飛“探路”。

“毅力號”釋放出來的無人機，計劃於本月11號左右開始第一次火星飛行任務，這段時間主要是“曬太陽”，一方面為無人機太陽能電池充電，另一方面來提升無人機的整機溫度，確保在起飛後上面的各種電子元件能夠正常穩定工作。釋放出無人機後，“毅力號”以無人機和火星表面為背景，拍攝了一些“特寫照”。令人驚奇的是，照片中遠處的天空上，出現了一道似乎是“彩虹”的景象，而出現“彩虹”的原因，也讓科學家們為之發生了爭論。

我們知道，地球上的天空中之所以會出現彩虹，主要原因就是空氣中含有較多的水汽，當由不同的色光所組成的陽光，在穿透這些高空中的微小水滴或者冰晶時，會發生折射，而不同的色光折射率不同，由此造成折射後光線的行進路線發生偏移，如同“三稜鏡”一樣，於是在背對著太陽的空中，就會出現“彩虹”。彩虹的顏色深淺和寬度，與空氣中水汽含量的高低，也就是微小水滴的大小有直接關係，如果空氣中的微小水滴比較大，那麼彩虹的顏色就越鮮豔，寬度相應較窄。

由於火星表面非常乾燥，地表呈現的是一片棕黃色，所以照片中的出現的“彩虹”，雖然顏色並不怎麼鮮豔，但是與背景一對比，仍然顯得比較“亮眼”。之前，人們在火星上發射的眾多探測器，都沒有拍到情況，因此，火星表面出現的“彩虹”，引起了科學家們的濃厚興趣，並分別提出了幾種形成原因的猜測。

第一種是冰晶折射。火星的大氣密度很低，只有地球的1%左右，而且火星上也沒有豐富的水資源，所以空氣的溼度遠沒有地球上的高。不過，在火星的赤道及附近區域，上方空氣受到陽光照射的強度相對較大，因此吸熱和放熱現象要比其它區域明顯，從而推動著火星表面為數不多水源，呈現週期性的蒸發和凝結現象，最終呈現出“水凝雲”。而在赤道上空的大氣層中，由於溫度低於水的冰點，所以聚集起來的水汽將會以冰晶的形式體現，陽光穿透這些冰晶時，有一定的機率形成“彩虹”。

第二種是乾冰折射。火星稀薄的大氣層中，佔比最高的氣體物質為二氧化碳，高達95%左右。由於火星高空的溫度很低，二氧化碳凝結成微小的乾冰顆粒，然後附著在灰塵微粒上，當在天氣晴朗的條件下，乾冰晶體在特殊環境中所聚集的濃度達到一定程度，陽光穿過乾冰晶體，就會偶發性地出現“彩虹”。

第三種是鏡頭炫光。對於攝像裝置來說，如果鏡頭直接對著強烈的光源，那麼在某個角度下，一部分光束有可能未被有效過濾而直接穿過了鏡頭，從而形成“炫光”，產生類似“彩虹”的錯覺。

以上三種觀點，似乎都各有道理，然而也都有解釋不通的地方，比如冰晶折射，按理說火星大氣層中那麼低的水汽含量，根本不足以形成彩虹。再比如干冰折射，火星高空的乾冰雲層只能發生在大氣層的外緣，而從照片中可以看出，天空中也根本沒有什麼高空雲層。最後鏡頭炫光，“毅力號”前一段時間所拍攝的近千張照片中，在差不多同樣的角度、同樣的陽光照射條件下，卻一次也沒有出現過“彩虹”的現象。

幾天後，“毅力號”無人機就將進行第一次火星飛行，期間將收集和分析火星大氣層的詳細組成情況，屆時科學家們或許可以從中找出火星“彩虹”形成的原因。朋友們，你們認為火星“彩虹”的形成原因是什麼呢？