书城科普读物运用物理学原理解读生活现象
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第20章 光在生活中的作用(2)(1)

十五、海市蜃楼景象的形成

世界上有一些地方,当下午快要消逝和傍晚刚降临的时刻,可以看到山峦在海洋的水平线上升起。山峦由于离我们太远,通常是看不见的。在下午较早的时候,首先有一些朦胧的斑点状的山峰呈现在海平线上。然后,随着时间的慢慢消逝和傍晚悄悄来临,山峦便愈加变得清晰可见,甚至能分辨出一个一个的山峰来,这类海市蜃楼称为上现(方)蜃景。这是由于当地面附近的空气的温度在随高度增加而增加时,继而空气的折射率也随高度增加而增加,因此会引起光线的折射,以致足以使光线弯折到人所在的位置而使人看到。观察者在心理上就顺着看到的光线沿直线反向外推,从而使像位于实物的上方。由于像隐约出现在物体的上方,故称为上现蜃景。

有时在沙漠上和炎热的街上会出现绿洲和水,绿洲的周围好像还有棕榈树。大家可以想象在口渴难耐的沙漠上,一旦看到绿洲上涓涓细流和湿漉漉的草地,是具有何等的魅力啊!

绿洲蜃景是像位于实物下面的下现(方)蜃景。来自蓝天的光线由于度随高度增加而减少,随即空气的折射率被随高度增加而减少的近地空气层所折射。当光线弯折到观察者时,观察者在心理上就顺着看到的光线沿直线反向外推,这样他就以为在前方某处的地面上有蓝色的水存在。微微闪光是由于热空气在折射过程中的变动而造成了流水的错觉。

复杂蜃景是海市蜃楼中最美丽的一种,尽管在一些地区是很罕见的现象,但是在我国烟台和长山岛附近的海平面上,在特定的季节和气候条件下,茫茫的大海之上经常出现楼台亭阁、仿佛是蓬莱仙境的再现。它们时隐时现,变幻无穷,即所谓海市蜃楼现象。在峨眉山上也时常出现这般情景,比如佛光便是。还有在意大利和西西里岛之间的墨西哥海峡上也很常见。上述现象均属复杂蜃景,它的成因是由于在比较温暖的海面上有一层冷空气,致使海面附近的温度分布不是随高度呈线性的变化。开始,温度随高度增加而增加,但在某些居间高度的区域,温度增加的速率变小。于是神话般的宫殿拔海而起,变化莫测,忽隐忽现,蔚然壮观至极。

十六、日出和日落时太阳形状的变化

每当太阳从地平线冉冉升起和徐徐落地时,可以很明显地看到,它的形状不再是球形而变为椭球状,即形状变扁了。如前所说,阳光被大气折射后,在太阳愈接近地平线时折射也就愈厉害。现在让我们考虑当观察到太阳的下部边缘处在地平线上的情况。如果阳光不发生折射的话,那么太阳的下部边缘实际上处在地平线下面0.5°多一些的地方。同时,太阳的上部边缘应该是在比没有折射时的实际位置低0.5°左右的地方。结果,看到的太阳竖直宽度要比太阳在头顶上时的宽度窄一些(精确地说约短6弧分)。由折射作用产生的水平宽度缩短很小(约0.5°弧秒)。因此,当太阳位于地平线上时看来好似一个椭圆,即根据折射现象会使太阳的尺度缩小。但是在观察自然风光时却有一种明显增大的幻觉。这种幻觉不是大气条件造成的,而是一种心理作用。这似乎和太阳与地平线之间的空间有关。对于一个很大的空间来说,相应于太阳在很大仰角的位置上,这时太阳显示出它的真正角宽度为0.5弧度。但是,在下落时,太阳与地平线(或地平线上的物体)之间的空间变小了,这时太阳看上去好似变大了。

对月亮的升起和下落也有上述类似的感觉。

十七、不要在太阳底下浇花

在骄阳似火的天气里往树叶或花叶上洒水并不好。因为叶上的水滴会使阳光聚焦,使太阳成像在叶子上,这样就会把叶子烧焦。

十八、猫眼的反射作用

猫和其他一些动物有一双具有反射作用的眼睛,这种眼睛在黑暗的环境下都是很显著的。它是由一个透镜和一个曲面镜组合而成的,这样它使返回的光锥又经过光源。所以,在黑暗中,当你用手电筒照射猫的两眼时,猫眼就有明亮的反光。有趣的是,在食肉的动物中,其视网膜的后面都有一层可提供高反射比的半胱氨酸锌盐的结晶层。

十九、变幻多端的天空色彩

天空是蓝色的,这是人所共知的事实,可是你注意到没有,天空的蓝色也不是均匀的,还有晚霞的景色是很迷人的,绚丽多彩的霞光施展出迷人的魅力。每当夕阳落地之际,西方的天空起初呈现出橙黄色彩;在太阳转为火红色时,西边天际的余晖从地平线开始,由橙黄色向上方变化到蓝绿色。最终,在西边的地平线上方约25°的区域出现玫瑰色。

在较大的火山爆发后不久,能看到色彩特别明亮的霞光。

上述现象通常是用瑞利散射来解释的。根据瑞利散射模型,大气分子对太阳光的散射与光的波长有关,这种关系确定了天空的基本颜色。入射的阳光其电场使大气分子中的电子振荡,这些振荡的电子本身又辐射光,总的效果就是散射太阳光。波长较短的光(可见光范围的蓝端)偏离原来的方向大。当太阳接近地平线时,观察者上方的天空因此就很蓝。离太阳90°以上的天空呈淡蓝,这是由于阳光照到这些天空时,必须在大气中经过一长段路程,因此蓝光就减弱了一些。地平线上太阳附近的天空是红色或黄色的,这是由于这部分天空也是由于阳光穿过长距离的大气层时,蓝光被减弱了的缘故。

各种来源(比如火山,森林大火)的尘粒不仅可能散射出附加的散射光,而且还可能呈现与瑞利散射不同的波长的依赖关系,这在较大的火山爆发后的日落和日出时显得很明亮。在任何特殊的日落中所看到的特别色彩都是由正常的瑞利散射和尘粒的散射组合而生成的。

二十、峨眉佛光是怎么形成的?

在峨眉山,当你背向太阳站在山上凝视脚下的浓雾时,可能会有一连串彩环环绕着你的头影。这组彩环,甚至可能是一些完整的圆,称做峨眉佛光(宝光或彩光)。当你觉察到这美丽而又神圣的影像绕着你的头影,而你的同伴都没有这神秘的色彩时,可能立时会有神赐之灵感。

其实,从飞机上能看到彩光是经常的事,你如果乘飞机就不妨观察一下,但要坐在背太阳的一边,便能看到在云或轻雾上的飞机影子的周围产生的彩光。

彩光是由半径接近或稍大于可见光波长的小微粒反向散射(即往光源方向散射)的光所造成的。米氏理论描述了这种散射,它不同于对更小微粒适用的瑞利理论或对更大微粒适用的正常反射和折射模型的描述。向光源方向折回的光从一边进入水滴,在水滴里经过一次反射和沿水表面掠过后,从它的另一边出来。这种掠过被描述为表面波,由于不同的入射色光的回折角度稍有不同,因此在观察者的头影周围产生了明晰的彩色光环。由于一个特别的图样的回折角与水滴大小有关,因此如果云里的水滴大小有很大范围,彩色就会消失。

二十一、路灯中的彩色光环

你留意观察一下路灯,就会发现它周围有彩色的光环。产生这种光环的物理过程在于其大小与光的波长接近的小物体对光的衍射。路灯的光环与其他光环不同之处是小物体都在眼睛的内部。产生这种光环的一些可能的衍射体是眼球水晶体中的径向纤维或角膜表面上的黏液微粒。