光與雲/大氣光現象

♡光與雲♡目錄

藍色的天空

曙暮輝

霞的成因

虹與霓

虹的成因

霓的成因

光的衍射

日華/月華

虹彩

寶光

天空的微笑

​冰晶

環天頂弧

幻日

幻日環

​ 22°暈/46°暈

上/下切弧

其他​

​◆藍色的天空

晴天的時候仰望天空,藍藍的天上飄著白白的雲朵,心情也愉悅起來。陰天的時候,灰蒙蒙的天空,愁雲慘淡,人也不免沮喪。

◆瑞利散射/米氏散射

雨後初晴的天空,大氣被雨水洗刷後十分的潔凈——大顆粒物質基本都被雨水帶回地面。空氣顆粒主要以氮氣和氧氣分子為主。單個原子的大小在0.1-0.5nm之間,也就是空氣中的大量分子大小在0.2-1.0nm之間。人眼可以可以感受到的波長范圍一般是落在360 – 400 nm(紫色)~760 – 830nm(紅色)。

光線在穿過大小比自身波長小得多空氣粒子的時候,發生明顯的瑞利散射——光線穿過氣體時,氣體分子的電子吸收光子,電子從低能級躍遷到高能級。躍遷後的電子並不穩定,當它躍遷回來時,釋放出一個光子。粒子就像一個有一定折射率的球形透鏡, 粒子半徑和波長相近或大於波長時,被粒子吸收的光子會聚在粒子的正前方較小的角度內放出。光線的偏離角度小,散射小,稱做米氏散射。而當粒子半徑遠小於波長時,光子被吸收後,無法都從光傳播方向的正前方出來,一部分的光子便會從粒子邊緣衍射到四周。此時光線的偏離角度大,散射大,稱瑞利散射。能級越高的光子(紫光)使電子躍遷到越高的能級,高能級電子釋放的光子方向性更隨機,瑞麗散射程度越大。

典型的瑞利散射的程度和波長的四次方成反比。由光譜數據可求得藍光的散射強度是紅光的五倍左右。

幹凈的天空,光線大部分發生瑞利散射,藍紫色的光在大氣中強烈的散射,佈滿整個天空。經過許多次散射後到達我們眼睛的光線大部分是這種藍紫色的光線。我們的眼睛有藍,綠,紅三種色細胞,對紫光不敏感,所以看到天空呈現藍色——因為每個人的感光能力不同,所以不同的人看到的藍也是不同的。雖然紅光的散射弱,隻能中和小部分藍紫色的光,但我們的天空也就不是湛藍色。

◆天空灰

晴天的天頂的顏色比四周更藍,越接近地平線越發白。在水平的角度,光線需要走過的路程越遠,更多的短光被散射掉,而越靠近地面空氣中大顆粒越多,發生米氏散射越多,而米氏散射帶來的穿透性更強的長光光譜和瑞麗散射的短光光譜更多的中和,到達我們的眼睛就成瞭灰白色。同樣的,當太陽穿過薄的雲層(雲滴大小在100nm左右)照耀大地,米氏散射大量存在於雲彩中,太陽旁的天空看起來是白熾的。

陰天的天空灰白色,是厚雲中的較大雲粒對太陽光的米氏散射,雲層越厚,天空越暗——卷雲下的天空淡藍色,積雨雲的雲底黑壓壓。冬季更大的顆粒物質——霧霾對光的散射及折射中使傳播中的光線毫無規律的折射,漫反射,天空呈現出乳白色,大部分無法到達地面,冬天的天空陰沉沉的。

◆曙暮輝

雲多且厚的時候,光從雲隙到達地面,光經過的路途中的顆粒散射的光線到達人眼,在其他區域被雲遮擋的暗淡天空下,人眼可見光柱中顆粒的發光而見到光柱。森林中透過樹葉的光芒也有類似的現象。曙暮輝因其壯麗的景象常被賦予神性。

◆霞的成因

早晚天邊形成的霞,是大氣常見的現象。小時候,都學過《火燒雲》:天上的雲從西邊一直燒到東邊,紅彤彤的,好像是天空著瞭火。不比太陽高高的掛在天空,地平線的太陽照亮地球,光要走過更長大氣層才能到達。

太陽在地平線時,大氣層中的空氣分子和雲粒對光一路散射,折射,穿透力強的長波光紅光氣喘籲籲的到達地面,而穿透力弱的短波藍紫光精疲力竭,未及到達便消散在太空中。

以朝霞為例,低的雲——圖中上部的雲隻能被穿透力更強的長波光​紅光​照亮,紅彤彤的。光照亮更高的雲,經過的大氣路徑短,散射和折射較少,波長相對較短的光綠,黃光,穿透力太弱的紫色是無能為力的也能到達,混合光使雲層顏色呈亮黃色。而更高的天空,則是光線在更高空的瑞利散射使天空呈現藍色。

虹與霓

夏天的雨來的快去的急,天空中他們搗亂過,留下彩虹做印記。虹與霓是一對好兄弟,哥哥虹總是沖鋒在第一線,明亮分明。靦腆的弟弟霓偶爾跟在哥哥後頭露面,羞羞瑟瑟,朦朦朧朧。

★虹的成因

1666年牛頓用三棱鏡分出彩虹光譜時,濟慈對比大為不滿,覺得牛頓先生是焚琴煮鶴,大煞風景:“天空中曾有一道令人敬畏的彩虹,我們知道瞭它的質地、它的紋理,它就被歸入單調無聊的平常俗物……”這和當年阿波羅的登月計劃讓月光詩性大減,傳言說的“人類踏上月球的那一刻,嫦娥便帶著月兔永久的離開瞭廣寒宮”一樣。

自然並不會因為深入瞭解瞭而失去自己的任何一分美麗,濟慈先生太玻璃心瞭。

★七色的原因

雨後的空氣中存在大量的小水滴,水滴會對光線折射,光的波長不一,折射的程度也就不一樣。

太陽角度較高的時候光線如A,短波的折射率更高,經過反射後從水滴射出,紫光和紅光分離。太陽角度較低的時候光如B,以黃光和綠光表示以示區別。水滴反射的光線到達眼睛的時候,眼睛就看見瞭分開的光線。

★上紅下紫的成因

眼睛看到光隻能在一個點,光折射後的光紋分得太開,眼睛沒法接看到。所以眼睛看到的彩虹,是不同的許多光折射後到達的組合。

★半圓的成因

光要到達眼睛,必須經過同樣的角度才能剛好被看見。太陽的尺寸次地球大的多,照射到地球的太陽光可以看做平行光。平行光照射在小水滴上,像各種方向折射。能到達眼睛的光如下圖:

以太陽和人的眼睛的連線為軸,彩虹形成在人臉正前方(人背向太陽)以軸上一點為圓心的環上。水滴的范圍不夠,隻能形成小半圈。水滴豐沛,就能形成完整的半圓形。而如果人的視角夠高(高山或者飛機上),視平線以下的部分也有水滴反射光線到眼中那彩虹可以形成一完整的圓。

​★追虹

彩虹看上去不遠的時候,諸君有沒有想過去走走這座七色橋?

當眼睛從a處移動到b處的時候,看到的彩虹的紅光由a線換做b線,換個地方,看到的彩虹也就不是之前的那一條瞭。大部分的光學現象都有這個特質——像隻能在特定的地方才能被看見,另一個地方,是不同的成像。

所以,彩虹是沒法追的,追彩虹的行為看上去有點傻。

同樣的道理,如果在水中看到彩虹,那水中的倒影並不是看到的彩虹的倒影。就像吃葡萄不吐葡萄皮。看到的彩虹的倒影在看到彩虹的地方無法看到。看到的彩虹倒影是另一道彩虹的倒影——彩虹的光線經過鏡面反射到達眼睛的角度沒法和直接到達眼睛的角度重合。

★霓

虹的孿生弟弟霓偶爾跟著哥哥出現,要仔細看才看的出來。彩虹在水滴中反射一次,霓在水滴中反射兩次。

α光線經過一次反射後便折射出來,形成虹,而β光線則經過兩次反射後才射出,形成霓。霓的射出光上紅下紫,和虹道理一樣,人眼看到的是紫色和紅色相交的地方,也就是霓是紫上紅下,紫色內層,紅色外層,和虹相反。

看到彩虹的時候很多,水汽充足的地方背對太陽很容易發現彩虹。瀑佈旁,噴泉旁都有彩虹的身影。也可以拿個噴壺背對著太陽噴水,水幕前會出現淡淡的虹影。

日華/月華

●光的衍射

光是一種物質波,所有的波,包括機械波水波都有一樣的性質:衍射。衍射能讓水波通過小孔繼續前行——波前的每一點可以認為是產生球面次波的點波源,而以後任何時刻的波前則可看作是這些次波的包絡。​​到達小孔處的水波上的點,可以看做一個新的波源,小孔的大小和波長相近,波穿過小孔繼續傳播。

具有波粒二象性的光同樣有衍射的現象。

太陽光是復合光,復合的白光因衍射角度的不同會分色為多色條紋——上圖白光,多條光線形成的多色的光源相互幹涉:光波相結合處會看到明亮的光,相抵消處的光線較暗。一種色光的明亮區在另一種色光的陰暗區顯現出來,形成色彩次序。幹涉的共同結果是在光源周遭形成內藍外紅的彩虹光環。

●日華/月華

太陽光經過水滴大小相近的薄雲層,會從水滴的縫隙穿過,產生衍射現象。單條光線經過水滴縫隙做小孔衍射,衍射的多色光譜經幹涉,在波峰形成明亮的環,多個環形成彩色的環——華。

太陽的華因為過於明亮的主體一般很難看到——當太陽角度低,或者雲層厚且雲粒細小能看到。因為華的形成是光線穿過水滴(不局限於水滴,也可以是冰晶,甚至於飄揚到瞭空中的花粉,火山灰等顆粒物)的縫隙,光強不會減少太強不會減少太多,僅僅是反射太陽光線的月亮形成的月華在滿月的雲夜也容易被看到。初生的雲粒大小相近,更容易形成月華。水滴越小,和光的波長越接近,衍射現象越明顯,形成的華越大。水滴變大,衍射現象變小,華的半徑就小。

●虹彩

​ 中雲和高雲的邊緣雲粒會因蒸發而變小,而長得像飛碟的夾狀高積雲——作為地形雲之一的夾狀雲是氣流遇到山體,為瞭穿越障礙被迫抬升,氣流在背風的山頂呈波浪狀前進,水滴隨著氣流的移動,在雲的一側形成,在另一側蒸發,沒有時間聚合為更大的水滴,整片雲看上去沒有動,雲粒的小水滴總是非常微小,光線經過雲層邊緣時,便會發生衍射現象,形成和華一樣的效果——暈彩效應。波浪形的雲邊緣衍射光線,形成絢爛的珍珠光澤的彩雲。希臘神話中的伊裡斯女神是彩虹女神,到她主管的不是彩虹,而是這樣的虹彩。

●寶光

朋友從牛背山回來說除瞭無與倫比的日照金山,還看到瞭寶光。

空氣中的小水滴能夠反射光形成彩虹,霧也是由小水滴組成,但是霧中小水滴非常小,所以無法形成七彩光環,往往隻是單色的拱。

當登山愛好者們爬山海拔高的山頂,腳下往往是雲海,霧海。光線從身後傳播到眼下的雲霧,先是散射經過小水滴,也可能伴有輕微的衍射,​光線經過小水滴後,和下方的更多小水滴形成霧虹。霧虹的光線再次穿過第一次經過的小水滴,發生衍射現象,形成寶光。

寶光和華一樣,外紅內紫。當人的距離到雲霧的距離很近時,光線無法穿過人體的部分在寶光下部分投下陰影。如果距離較遠,能形成完整的圓。

天空的微笑

■冰晶

冰晶的形成凝結核是必不可少,大氣中的過冷的水蒸氣會在冰凝結核上凝華使冰核增長形成冰晶。這個過程與大氣中的溫度和濕度有密切聯系,不同環境中形成的冰晶形狀是不同的。若冰晶周圍水氣多,則垂直於光軸的六個角增長較快,就形成片狀冰晶;若冰晶周圍較幹燥,則平行於光軸的兩個底面增長較快,便形成柱狀冰晶;若水氣適中,則形成片狀雪花。

在天空中形成光學現象的冰晶一般是卷雲中的冰晶,卷雲中的冰晶多呈片狀或柱狀。

冰晶在空中不會長久保持一個形態,下落過程中,冰晶傾向於使自身所受的阻力最大。受自身形態和大氣運動的影響,冰晶在大氣中下落時會呈現的不同的運動模式,稱作取向。

■環天頂弧

環天頂弧,又叫“天空的微笑”。是弧線向上彎曲和彩虹相反的光環,像天空露出笑顏。

光線依次通過晶體的一個面射入,一個面射出時發生兩次折射,存在一個最小的偏轉角度,稱為最小偏向角。最小偏向角的值受折射率和入射面與出射面夾角θ的影響。在這個角度上出射光線最為密集,它決定瞭某種冰晶暈到光源的大致距離。

環天頂弧的光路從頂面射入,從某一個側面射出,θ為90°。90°晶面的最小偏向角為46°,環天頂弧屬於46°plate弧。

環天頂弧的視覺成像和彩虹有相似處:上紫下紅的原因是隻經過折射而與無反射。環天頂弧以眼到天頂連線上一點為圓心,因為太陽照射角度的關系,隻有太陽側的四分之一有環。

和環天頂弧類似的,是環地平弧。環天頂弧在太陽角度高於當太陽的角度高的時候32°的時候便不能成像。而太陽高於58°則可能形成環地平弧。環地平弧的光路從一個側面射入,從地面射出,θ為68°時成像最為清晰。

環地平弧也是以天頂連線一點為圓心,因為靠近地面成圓,半徑相當大,和同樣以天頂連線為圓心的地平線平行。一般看見的環地平弧像是直線便是這個原因。

幻日

後羿射日的故事傢喻戶曉。天上的十個太陽被後羿一舉射落,隻剩一個照耀大地。古代的神話故事總是有些誇張,天上沒法同時出現十個太陽,隻能同時出現9個。此處沒有搞笑——九個太陽裡,有八個可能是幻日。

幻日可能和“天空的微笑”同時出現,他們都是片晶plate取向的現象。不同的是,天空的微笑光路由頂射入,側邊射出。而幻日光路由一個側面a射入,從另一個與入射面成60°的側邊b射出。當太陽角度較低時,形成幻日的最小偏向角為22°。而因為色散,靠近太陽一側為紅色,原理太陽的一側因為光強,一般較少顯示為紫色,而是亮黃白色。22°幻日出現的概率每年有幾十次,太陽角度較低時抬頭望天時可以細心搜尋。

當太陽高度很低的時候,22°幻日非常明顯。可能同時出現44°幻日——經過片晶第一次折射後的光線再一次被片晶折射,非常淡,非常難以見到,120°幻日——片晶入射後,經過一次反射,從入射面的正對面折射出來,在看到22°幻日的背面,需要轉身才能看到,66°幻日——原理不明,以及及其罕見的Liljequist幻日——傳說級別的存在。下面是9個太陽。

Z為天頂,最外圈為地平線,EE′為22°幻日,DD′為44°幻日,BB′為66°幻日,AA′為120°幻日,AA′兩旁是Liljequist幻日可能出現的位置。

幻日環

​幻日總是出現的在幻日環的環上。幻日環由自由取向的片狀/柱狀冰晶反射形成。反射可以隻在外部,形成靠近太陽附近的幻日環;也可以經內部多次反射,形成遠離太陽部分的幻日環。多次的反射會使得折射變得不對稱,在遠離太陽的部分會分離而產生一些顏色。

▲22°暈/46°暈

22°暈是常見的暈,仔細觀察搜索的話一年能看到百次左右。暈由random取向(自由散漫無規則運動)的柱狀冰晶形成。從一個側面射入,從另一個夾角成60°的側面射出,和幻日形成的光路有些類似。日暈常由卷雲或卷層雲的冰晶形成,內層紅,外層紫或白。

46°暈少見,一年隻出現幾次。

▲上/下切弧

環天頂弧是44°暈的切弧,上/下切弧是22°暈的切弧。切弧是柱晶colume取向的現象。切弧的形狀受太陽高度影響非常大,從太陽高度0°的兩次立起的海鷗狀,到太陽30°左右平展雙翅狀,到太陽高度90°的和22°暈重合的下扇翅膀形狀。

其它

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