大气奇景与光

万道霞光


  日出前后和日落前后,天空的很大部分,特别是太阳附近的天空染上了颜色,当这部分天空有云朵时,云朵也染上了颜色,从地平线向上空,彩色的排序为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫,有时个别彩色可能不明显,但排序不变,这就是朝晚霞。日出前后的叫朝霞,日落前后的叫晚霞。

  霞是怎样形成的呢?实际上它和天空产生蔚蓝色的道理是一样的。都是由于空气分子的散射作用而造成的。只不过当日出和日落前后时,阳光通过厚厚的大气层,被大量的空气分子散射的结果。据计算,太阳在地平线上时所透过的大气层厚度为白天太阳当头时所透过的大气层的三十五倍。由于阳光被大量空气分子所散射,紫色和蓝色的光就减弱得最多,到达地平线上空时已所剩无几了。余下的只是波长较长的黄、橙、红色光了。这些光线经地平线上空的空气分子和尘埃、水汽等杂质散射以后,那里的天空看起来也就带上了绮丽的色彩。空中的尘埃、水汽等杂质愈多时,这种色彩愈显著。如果有云,云块也会染上橙红艳丽的颜色。

  另外,存在于大气中的水汽和灰尘是影响霞的样子的基本因素。大气中所含的水汽越多,霞的色彩越红。空气湿度的增加通常发生于坏天气的气旋逼近之前,因此当出现红色或橙色的鲜明的霞时,就可能预示着天气将变坏,当然也可能预示着降水的发生。

晚霞的图片晚霞的图片

虹 和 霓


  历史上,曾经有人见过四条彩虹并列在空中奇景,那是1948年9月24日今晚6时左右,在苏联列宁格勒的尼瓦河上空出现的。当时天空中是一片乌云,后来从海面上突然吹来了一阵充满水滴的风,一瞬间乌云下出现了太阳,整个天空中马上横贯一条光彩夺目的虹。同时,在它的不远上方生成了色彩倒排的双虹,这虹是由日光在尼瓦河上反射而形成的。数分钟后,在主虹内侧直接相连处,生成了狭细的三虹,以后又出现了四虹,其宽度只有第一道虹的三分之一。彩色也大大减淡。最后两条虹最鲜艳部分是深红色带。四条虹在天空中的时间约15~20分钟之久。

  人们常见的是一条虹,偶而能见到两条虹并列悬挂在空中。含七种色光的太阳光线,射入大气中的水滴(雨滴或雾滴),各种色光经历折射和反 射后,可在雨幕或雾幕上形成彩色光弧环。当光弧环对观测者所张的角半径约42度, 光环的彩色排序是内紫外红时,称为虹。

  在虹的外面,有时还出现较虹弱的彩色光环,光环对观测者所张的角半径约为52 度,彩色环的排序与虹相反即内红外紫,称为霓或副虹。

日 月 晕 环


  天空中有一层高云,阳光或月光透过云中的冰晶时发生折射和反射,便会在太阳或月亮周围产生彩色光环,光环彩色的排序是内红外紫。称这七色彩环为日晕或月晕,统称为晕。其中对观测者所张的角半径为22度的晕最为常见,称22度晕,偶尔也可看到角半径为46度的晕和其他形式的与晕相近的光弧。由于有卷层云存在才出现晕,而卷层云常处在离锋面雨区数百公里的地方,随着锋面的推进,雨区不久可能移来,因此晕就往往成为阴雨天气的先兆。

晕的图片 晕的图片

绚 丽 华 盖


  天空中有一层透光薄云,云中的水滴大小均匀,若是由冰晶组成的云则要求冰晶尺寸均匀。月光或阳光透射云层过程中,受到均匀云滴(水滴或冰晶)的衍射,结果会在月亮或太阳周围紧贴月盘或日盘形成内紫外红的彩环,称为华。因日光太亮,人们不易观察到日华,月华则比较常见。紧贴月盘的华又称华盖,通常华盖的紫色不太显著故内环呈青蓝色,其外呈黄色为主,最外呈红色。有时在华盖外隔一暗圈后还会出现一个甚至几个彩色排序与华盖相同,但亮度弱得多的同心光环,称为副华。

华的图片

峨 嵋 宝 光

峨嵋宝光
  四川省峨嵋山,海拔3000米以上,山中森林茂密,流水淙淙, 水汽来源充沛,空气潮湿,常有云雾萦绕在群山中。国内、外有许多类似峨嵋山的常有云雾萦绕的山峰高岭。当清晨或傍晚,太阳位于地平线附近时,人若站在云雾萦绕的高山之巅,恰值山巅之上是晴空,山巅之下是云雾,你背对晴天的太阳,下看弥漫的云海迷雾,便可能突然看到云雾幕上出现人影,围绕在人影的四周是一圈圈彩色光环,有红色的也可有蓝色或别的颜色的弧环,这就是峨眉宝光。它是由于阳光照射观测者所形成的人影一直投射到云雾幕上,观测者便可看到自己的影子。阳光又照射到影子附近的云雾滴上,云雾滴对阳光产生散射、衍射等较复杂过程,便形成以太阳与观测者的连线的延长线为中心的一圈圈彩色光环。据记载,在峨嵋山上看到这种大气光象的机会 

 

佛  光


  佛光这个词取自德文,原意为圣像周围的光环。佛光指粗糙表面上人的头影周围的亮光或当人的影子映落在覆盖有露珠的草地表面时他的头影周围的亮光。在这种情况下,你的头影四周没有彩色,只有一个白色晕圈。虽然产生佛光有两类自然作用过程,但景象看上去是一样的。一类过程必须有露水珠(产生的景象可称作露水佛光);另一类只要求一个粗糙表面(称作干燥佛光)。

1)露水佛光
佛光形成原理示意图  来自远处光源的射线能够进入眼睛,并且在视网膜上聚焦,如图A所示。倘若映到视网膜上的亮点,又成为第二光源而起作用,那么,从该亮点散射并折回的光线,就从眼睛前部通过,按照它进入的方向射出,对着远处的光源返回去。眼睛的作用不象镜子,一面镜子可以朝不同方向反射光线,这依镜面位置如何安放而定。说得更确切些,眼睛平常的性质,就是把光线往光源的地方回送,而不管眼睛的取向怎样。当然,回送并不是绝对的,返回的光线可以展宽一点点,但决不是很多。

  假如你在十米远的地方,用手电筒照射一只狗(或一只猫)的眼睛,只要你正好贴着头部握住电筒,就会看到狗(或猫)的眼睛发亮了;但若你把电筒从你头部往旁边稍稍挪动,哪怕只挪动半米左右,狗(猫)眼睛里的亮光就消逝了。人的眼睛在显现这一效应时,不象动物的眼睛那么强烈。可是效应总归是有的。

  在另一些地方也可以看到这样效应,象路标或者牌照,它们的表面有小串玻璃珠罩盖,各个玻璃珠子都能起到小眼球的作用,有选择地把光线送回到照亮它的卡车前灯的方向(如图B所示)。

  就露水佛光来说,象眼球或玻璃珠那样的作用,是通过草叶支撑着的露水珠产生的,露珠大致呈圆球状。露水的确没有象玻璃那样使得光线大大弯曲(玻璃的折射率较大);所以,水就把光线带到露水珠后面不远的某个对焦点,如图C所示。

  为了最有效地逆射阳光,应当让叶面位于水珠背面的后边,水珠背面向着对焦点。有几种草的叶面带有细微茸毛,确实支撑着水珠使它稍稍离开叶面,并把光强高得惊人的光线,往回送向明亮的光源。要想了解这样的光线,可朝着你的对日点观看,你的头影就标志着对日点,于是在头影附近有发自草叶的强烈亮光,但是在你朝着离开头影更远的地方注视时,可看到光强减弱了。正象宝光的情况那样,每个人只可能看到他本人身影周围的佛光晕圈。

2)干燥佛光
露水佛光的图片  有的时候,当你的头影映落在干草、稀疏树林、甚至翻犁过的田地上,也可以看到佛光景象,设想一下松散铺垫在广阔空地上的一批树叶,当阳光映照在这样的集合物上面时,接收到阳光的每一叶片,就把影子投放到它背后的另一些叶片上。若是你正好顺着入射阳光的路线观看,那你确实见不到什么影子,因为从那个方向,每一影子正好在它的叶子背后,当你从那个方向察看时,所能见到的每片叶面都是照亮了的。可是你只要稍微挪开视线朝一旁观察,就可以看到叶片投映出的一些影子了。“正好顺着入射阳光方向观看”,这句话的另一个说法就是:“朝着你的对日点方向观看”。结果固然是如同上面说的一样,对于你的头影周围的草皮或树叶来说,背景的光强要比更远处的大些。一旦你同模糊不清的背景协调一致(例如,你走动或者骑上自行车奔跑),你就会频繁地看见你的“圣光”。你还可以在自己乘坐的飞机影子周围看到这一景象,或者,要是你位于离地面以上很高的地方,以便在地上投映出身影(原因在于太阳的角直径),那么你就会看到地面上自己的对日点所在位置,有一个佛光的亮斑。

极 光


  太阳是一个庞大而炽热的气体球,在它的内部和表面进行着各种化学元素的核反应,产生了强大的带电微粒流,并从太阳发射出来,用极大的速度射向周围的空间。当这种带电微粒流射入地球外围那稀薄的高空大大气层时,就与稀薄气体的分子猛烈地冲击起来,于是产生了发光现象,这就是极光。

 

 

大气奇景和天气


  现象是本质的显现。大气中的奇景不是偶然出现的,它们是大气运动状态的反映,因此,天空中奇景的变化又往往是大气变化的征兆。我国劳动人民利用这些现象判断天气变化的经验非常丰富。例如,谚语中就有:“早霞不出门,晚霞行千里”,就是利用霞来预测未来天气的。根据霞的生成原理,早晨出现鲜红的朝霞,说明大气中水滴已经很多,而且云层已经从西方侵入本地区,因此预示天气将要转雨;出现火红色或金黄色的晚霞,表示西方已经没有云层,阳光才能透过来造成晚霞,也就是本地区的上游天气已经放晴。这样,在原来笼罩本地区的云层东移以后,本地区天气将转晴。

  又如:“东虹日出,西虹雨”,这条谚语也是根据虹出现的方向来推断未来天气是晴还是雨。由虹的形成原理可知,虹出现的方向,就是水滴存在的方向,虹在东方,表明我们东边大气里有较大的水滴存在;虹在西方,表明我们西边的大气中有较大的水滴存在。我国大部分地区处于西风带,天气系统一般是由西向东移动的,东方的云雨区以后会越来越向东移去,而西边的云雨区则很容易影响本地。这条经验就是揭示了这个天气演变的本质。

  再例如:“日晕三更雨,月晕午时风”,这条谚语也是根据晕这个现象揭示未来天气变化实质的。我们知道,晕是太阳或月亮光线经过高空中有冰晶组成的卷层云时由于折射、反射而形成的。而卷层云通常是出现在低气压的前部,在它的后面就是造成降雨的高层云和雨层云。如果低气压的大风区经过本地,则还会有大风出现。当然,这条谚语并不一定就是指日晕预示下雨,月晕预示刮风,只是说风雨即将来临了。

  总之,大气中的一切景象都是大气运动所造成的结果。所以,通过某些特殊的景象就能较科学地预测天气。

光在大气中的入射与反射


  当光线以一定的角度投射在物体表面时,它会以与入射角大小相同的角度被反弹出来。如图4-24所示,光线以入射角“a”投射到物体表面,在以角度“b”由表面反弹出去,而角度“a”等于角度“b”这就是光的反射。

光在大气中的散射


  当我们避开太阳朝天空张望时,看到的是蔚蓝的天空,这就是说,在那个方向的天空有光线射入我们的眼帘,从太阳发射过来的光线,在天空的某个地方改变了方向,不然的话,我们所能看到的一切,就只不过是星际空间的黑暗,或者是来自某个遥远星辰的亮光。原来,当光线穿过地球周围的大气时,它的一些能量就向四面八方反射,这样的过程就是散射。
分子散射光强分布示意图
  因此,光波在遇到大气分子或气溶胶粒子等时,便会与它们发生相互作用,重新向四面八方发射出频率与入射光的相同,但强度较弱的光(称子波),这种现象称光散射。子波称散射光,接受原入射光并发射子波的空气分子或气溶胶粒子称散射粒子。当散射粒子的尺度远小于入射光的波长时(例如大气分子对可见光的散射),称分子散射或瑞利散射,散射光分布均匀且对称。
米散射的光强分布示意图
  当散射粒子的尺度与入射光波长可比拟时(例如飘尘粒子对可见光的散射),散射光的强度分布不对称而是分布复杂,称为米散射。

  光在大气中散射的上述性质,造成了许多绚丽多彩的光象。

光在大气中的折射


  光在到达大气与透明物体的分界面,或者光在到达密度不同的两层大气的分界面时,会发生传播方向的屈折,我们把这种现象称之为光的折射。光的折射遵从折射定律。

  气象学告诉我们,空气的密度的大小主要受气压和气温两个条件的影响。气压指得是单位面积空气柱的重量。大气层包围在地球表面,因此在大气层的低层气压较高,越向上气压越低。气压高则空气密度大,气压低则空气密度小。因此,正常情况下,总是贴近地面的空气密度最大,越向上空气密度越小。温度对空气密度的影响和气压则刚好相反。气温越高,空气的体积越膨胀,空气的密度越小;温度越低,空气收缩,则空气的密度变大。一般越接近地面温度越高(逆温层是个例外)。根据实测所得,在大多数情况下,温度的上下差别不是太大,而气压上下的差别却很显著,因此气压对空气密度的垂直分布所产生的影响远比气温的影响大,这就使得空气密度经常是越向上越小的(当然减小的情况并不是一成不变的)。

  由于地球上空气的密度随高度的变化,折射率随密度减小而正比例地减小,因此光在大气中传播时,通过一层层密度不同的大气,在各层的分界面处会发生折射,使光线不沿直线传播而是变弯曲,这样当太阳和其他星体的光线进入大气以后,光线就会拐弯,这种现象称天文折射,这使在地面观测得的天体视位置S'比实际位置S高。
天文折射示意图
  来自大气某目标物发出的光线,在向接收器传播途中发生屈折的现象称地球折射。 
当大气中温度的垂直分布出现异常时,就会引起空气密度垂直变化异常因而产生异常折射。如果下层空气比上层空气冷,也就是出现了强烈的温度逆增时,光线在这种气温随高度升高因而使空气密度随高度锐减的气层中传播,会向下屈折;而光线在气温随高度而降低的气层内传播,会向上屈折。实际大气温度的垂直分布复杂多变,因而会产生丰富多彩的大气光象。

光在大气中的衍射


  光波在传播过程中,遇到小尺度的障碍物时(指光波波长比障碍物尺度大得多),光波具有的绕过障碍物而形成明暗相间光环的本领称光的衍射。例如光波可绕过小孔产生衍射,在纸屏上生成明暗相间的衍射光环。

  在大气中传播的日光或月光遇到小云滴(小雨滴或小冰晶)等障碍物时,会绕过这些障碍物而产生衍射。当天空中存在由均匀小云滴组成的透光高层云或透光高积云时,月光在透过云层时遇云滴而产生衍射,由于云滴大小均匀,形成的衍射环能迭加,从而出现以月亮为中心的一圈圈明暗相间彩色光环,这就是华。

光波的小孔衍射示意图 光波衍射示意图