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夏日来临,宜“赏光”

来源:蝌蚪五线谱2023-05-16 19:16

  每年的5月16日,是国际教科文组织制定的“国际光日”。

  这个国际纪念日非常年轻,诞生于2018年,其初衷是为了纪念1960年5月16日激光的诞生。

  之前的文章就曾介绍过激光的原理。正是因为有了激光的存在,我们的夜晚才变得光彩夺目,光盘、芯片、光纤、激光雕刻等高科技工业产品也才得以问世,大大提高了生活便利度。

  激光 图源:sztu.edu.cn

  不过,激光固然美丽,看久了却略显单调。

  而大自然的光影才是真正的变幻莫测,引人入胜。热情奔放的夏日马上就要到来,今天我们来盘点一下,夏天有哪些奇特的光学现象吧!

  一、空气的影子

  不透光的物体在阳光下会形成影子,这是每个人都知道的生活常识,是“光沿直线传播”的经典案例。

  但你知道吗?无形无色的空气其实也有影子

  在光照条件良好的晴天上午,我们可以找一面阳光直射的白色墙壁,然后仔细观察。

  我们大概率会看到白色墙面上有一些若有若无的阴影,它们就像是水流一样,形状飘忽不定,不断上升。

  这就是空气的“影子”,这让我们可以间接观察空气的流动状态。

  空气总是由低温区域(高压)向高温区域(低压)流动,并且在流动过程中,空气的密度和温度是时刻变化的。

  由于不同密度和温度的空气对光线的折射率不同,因此当一束光线穿过流动的空气时,会由于折射率的变化而无法保持直线运动,最后造成投射到墙壁上的光有的部分亮,有的部分稍暗,由此形成了类似水面波纹一样的纹路。

  这种现象在一年四季的晴天都可以看到,只不过夏天的阳光更为猛烈,可以短时间内加热地面附近的空气,使其快速向上流动,所以更容易观察。到了中午之后,地面附近空气温度都已经达到了稳定状态,不再发生剧烈的对流,此时就不再容易看到了。

  蜡烛火焰上方的空气“影子”

  图源:搜狐

  在温度较高的热源上方同样能够观察到空气的影子,例如熊熊大火使周围空气的温度迅速升高,造成了明显的光线扭曲现象。而沥青则可以在烈日的暴晒下吸收大量热量,不仅能在公路上观察到剧烈蒸腾的空气,还可以看到一种特殊的光学现象——海市蜃楼。

  二、公路上的海市蜃楼

  说到海市蜃楼,大家可能想到的是沙漠上虚无缥缈的绿洲、大海上雄伟的高楼、云海中影影绰绰的庙宇等景象。

  这些海市蜃楼尽管非常壮观,但却难得一见。

  相比之下,公路上的海市蜃楼则更加常见和接地气

  公路上的海市蜃楼

  图源见水印

  在炎热晴朗的夏天,如果我们乘坐汽车行驶在公路上,就会发现前方的路面上有一大滩水迹。但当汽车靠近时,水迹却忽然消失不见了,并且又重新出现在了不远的前方。

  笔者小时候曾经在暑假骑行探险,在烈日酷暑的公路上又渴又累,一次次怀着希望努力骑向前方的梦想中的水洼,却又一次次扑了个空,感觉非常泄气和困惑不解。后来长大了才知道,原来这是一种海市蜃楼现象,是由光线的折射现象所造成的。

  光线穿过冷空气(蓝色)和热空气(红色)界面时的折射现象

  图源:搜狐

  光线从热空气进入冷空气时,会出现偏向低温区域的折射现象;当光线连续穿过多个温度层的空气时,就会沿一条曲线传播。

  海市蜃楼可分为上蜃景和下蜃景两种类型。上蜃景出现在高空中,此时地面(海面)附近的空气温度低于高空中空气的温度,光线沿一条上凸曲线传播;而下蜃景则出现于地面,此时地表(公路路面、沙漠等)附近的空气温度要高于高空中的空气温度,光线沿一条下凸曲线传播。

  上蜃景(左)和下蜃景(右)。注意在下蜃景中,地面上仿佛有一面镜子,反射了天空的倒影

  图源:参考文献[1]

  所以,炽烈的热空气在公路、沙漠表面形成了一个像镜子一样的反射界面,而所谓的水滩其实只是天空的倒影罢了。

  柴达木盆地海市蜃楼

  三、美丽的彩虹

  夏天天气多变,经常会出现短时暴雨天气。在雨过天晴的时候,我们就可以蹲守难得一见的彩虹了。

  看到一个巨大的彩色拱门矗立在天地之间,那种震撼和赏心悦目的感觉是难以用语言形容的。

  彩虹同样是由光线的折射现象所造成的。太阳光由五颜六色的单色光组成,这些单色光线的折射率不同,因此很容易被雨后空气中密布的小水滴以折射-反射-折射的方式分离开来。物理课上的三棱镜彩虹实验就是一个典型的例子,这也都是我们非常熟知的知识了。

  水滴分光示意图

  图源:globalweatherclimatecenter.com

  接下来我们继续探索一下知识的盲区:为什么彩虹总是圆形的?

  答案很简单:

  尽管大量小水滴将太阳光线向四面八方折射,但是只有处于特定区域内的虹光才能被我们所看到。

  这个“特定区域”是一个圆形的环状区域,它的范围是由光线在空气-水滴界面上的折射率和反射率所决定的。

  以人眼为顶点绘制两个虚拟圆锥,两个圆锥底边所包围形成的圆环即为此时人眼可看到的彩虹,图中仅绘制了42°虚拟圆锥

  图源:blogspot.com

  不同颜色的光线在穿过空气-水滴界面时的折射率和反射率各不相同,因此最终各自以特定的角度向外传播,这个角度范围处于40°(紫光)-42°(红光)之间。

  以人眼为顶点,分别在空中绘制一个半顶角为40°和42°的巨大虚拟圆锥,那么这两个圆锥底边所包围形成的圆环,就是我们所看到的圆形彩虹。

  当前阳光光线角度导致彩虹圆环的圆心位于地面之下,所以只能看见一部分彩虹

  图源:globalweatherclimatecenter.com

  飞机上能看到完整的彩虹

  图源:dailymail.co.uk

  观察者身处的位置不同,这个虚拟圆环的位置也就不同。

  所以当小明在位置A看到彩虹时,小红在位置B也能看到另一个彩虹,小亮在飞机上的位置C甚至还有机会看到一个完整的圆形彩虹。

  我们可以借用莎士比亚的名言:一千个人眼中有一千个彩虹。所以,珍惜你看到的彩虹吧,每一道彩虹都是专属于你自己的风景。

  四、威力巨大的闪电

  夏天的暴风雨中还存在着一种独特的自然现象:闪电。

  严格来说,闪电并不属于光学现象的范畴,而是属于静电学现象。不过这并不妨碍我们欣赏闪电那蕴含巨大能量的光影。

  闪电来源于空气中带电物质的放电过程。

  由于空气中水滴、灰尘等微粒之间的相互摩擦作用,一团水汽充沛的积雨云很容易便会持续积累起数量庞大的正、负电荷。一般云层的上半部分带正电,下半部分带负电,当两者之间的电势差足够大时,便会通过各种途径进行放电,从而形成闪电现象。按照放电的方式不同,闪电可以分为云中闪电、云间闪电和云地闪电三种。

  云中闪电(左)、云间闪电(中)和云地闪电(右)

  图源:维基百科

  在闪电诞生前,放电两极之间会首先进行尖端放电,通过电荷流动的方式形成一个通路。由于大气时刻处于剧烈对流的状态,所以电荷在流动时自发会寻找电阻最低的路线,从而形成了一条像河流或树根一样的弯曲通路。通路形成后,就会有巨大的电流穿过,形成一道耀眼的闪电。

  山中被闪电击中的松树

  作者拍摄

  由于空中云层间的电势差巨大,因此放电电压高达百万伏特以上,放电路径上的温度可高达上万摄氏度。一道闪电的持续时间仅有几微秒,所以尽管它的放电功率很高,却也无法释放太多的能量,“仅仅”只够劈掉一棵树而已。

  但这对人体来说也是非常危险的,所以在雷雨天千万不要到空旷的地方去引雷哦

  五、其他光学现象

  除了上面提到的例子之外,我们在夏天还能观察到很多其他有意思的光学现象:

  如围绕在太阳和月亮周围的彩虹(日晕和月晕)、树荫下斑驳的光影其实是一个个小小的太阳(小孔成像)、夜空中明亮的星星在不停地眨眼(光线折射)、由萤火虫组成的星海(化学荧光物质发光)等等。

  这个夏天,让我们带上好奇心,开启夏日的“赏光”之旅吧!

  参考文献:

  [1] Basdevant, JL. (2023). Variational Principles. In: Variational Principles in Physics. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-031-21692-3_2

  [2] What Atmospheric Conditions Cause the Appearance of Rainbows?. Global Weather &Climate Center. https://www.globalweatherclimatecenter.com/

  [3] 闪电. 维基百科. https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%97%AA%E7%94%B5

  作者:崔天宁 兵器工业某研究所工程师

[ 责编:蔡琳 ]
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