点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:夏日来临,宜“赏光”
首页> 光明科普云> 图文 > 正文

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 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 山西运城:花海春色

  • 星空相册丨春分悬日

独家策划

推荐阅读
“遥感是人们在距离和感官上的延伸,是认知地球、探查资源、监测环境的重要技术手段。本次活动由全国科学道德和学风建设宣讲教育领导小组主办,中国科协科学技术传播中心、湖南省科学技术协会、中南大学、光明网联合承办。
2026-03-20 09:42
每年春季,花粉过敏会给不少人带来困扰。该检测试剂盒采用微量血清特异性洋白蜡花粉过敏原IgE定量检测,用以辅助诊断,成为目前用于花粉症精准诊断的主要方法。
2026-03-20 09:39
3月18日,记者从新疆电力交易中心有限公司获悉,自2010年启动“疆电外送”以来,新疆累计外送新能源电量已达3043.6亿千瓦时,约占总外送电量的三成。
2026-03-20 09:39
吕小康:从现实语义上看,情感AI既指能够识别、理解、模拟和响应人类情感的人工智能技术,也指基于这类技术设计和开发的情感智能体。吕小康:为引导青年群体健康使用情感AI,还需要进一步加强协同治理,培育积极有益的陪伴型人工智能应用环境。
2026-03-20 09:36
据3月17日农情调度,全国早稻育秧已三成半,同比略快。据介绍,北方冬小麦当前的田管重点是继续促进弱苗转化升级,抓好病虫防控,防范春旱、倒春寒、干热风等灾害。“近日国家启动投放1000余万吨氮磷及复合肥储备,作为国家化肥储备重要承储主体,全国供销合作社系统农资企业积极按要求将储备化肥及时集中投放市场,稳定市场价格。
2026-03-20 09:36
小时候我们背过一句话:万物由原子组成。这一路走来,从质子的异常,到夸克模型的提出,再到量子色动力学和标准模型的建立,人类把物质拆解到了17种基本粒子的层级。曾获国家六部委回国人员成就奖、德国洪堡研究奖、吴有训物理奖、中国科学院优秀研究生导师奖。
2026-03-20 09:35
吴晓民(右一)团队在野外工作。藏羚羊曾广泛分布于高原全境,其漫长的演化史与复杂的种群波动,始终是全球动物保护与演化生物学领域关注的焦点。研究团队还通过生态位模拟,锁定了藏羚羊的生命庇护所——青藏高原北部的可可西里、羌塘高原等区域。
2026-03-19 10:11
通知明确,各城市群应优先选择具备条件的燃料电池汽车、绿色氨醇、氢基化工原料替代、氢冶金以及掺氢燃烧等应用场景开展试点,积极探索氢能创新应用场景,形成“1个燃料电池汽车通用场景+N个工业领域应用场景+X个创新应用场景”的氢能综合应用生态。通知要求,氢能综合应用试点以城市群为主体开展申报,城市群应立足自身资源条件,因地制宜、宜氢则氢,避免各场景一拥而上、低水平重复建设。
2026-03-19 10:10
2026中关村论坛年会将于3月25日至29日在北京举办。
2026-03-19 10:04
日前发布的《中国地热产业发展报告2025》显示,我国地热产业多元化利用格局正在形成。在地热供暖发展带动下,我国地热产业规模长期稳居世界第一。
2026-03-19 10:00
由于土豆块茎外形粗陋、埋于地下,又不见于《圣经》,一度被殖民者视为“魔鬼之根”或带毒之物。另一方面,随着城市扩张与人口增长,粮食压力加剧,土豆因高产、耐寒、适宜在小块土地种植而被人们重视。
2026-03-19 10:00
作者:刘琦 仇焕广(分别系中国人民大学助理教授,辽宁大学党委常委、副校长)  今年《政府工作报告》提出,“推进先进适用农机装备研发应用,打通农业科技推广‘最后一公里’”。
2026-03-19 09:59
为此,生态环境法典针对重点流域、重要生态单元设置专门规范,明确长江、黄河等重点区域一体化保护要求,建立协同机制。生态环境法典第三编第六章“生态退化的预防和治理”,整合水土保持法、防沙治沙法的有关规定,分为水土保持、防沙治沙两节。
2026-03-18 09:38
“‘两弹一星’不是孤立的科技突破,而是面向国家需求‘从0到1’的科技创新。本次活动由全国科学道德和学风建设宣讲教育领导小组主办,中国科协科学技术传播中心、安徽省科学技术协会、安徽农业大学、光明网联合承办。
2026-03-18 09:27
对于1型糖尿病患者而言,胰腺中那些负责分泌胰岛素、调节血糖的胰岛β细胞,被自身免疫系统错误地当成了“入侵者”,日复一日地遭受攻击,直至彻底损毁。这3个病例,分别代表中国乃至全球再生医学领域的3个“首次”——世界首例自体、中国首例异体、世界首例青少年再生胰岛移植治疗1型糖尿病。
2026-03-18 09:27
记者3月17日从国家能源局获悉,2026年1至2月,全社会用电量累计16546亿千瓦时,同比增长6.1%。从分产业用电看,第一产业用电量223亿千瓦时,同比增长7.4%;第二产业用电量10279亿千瓦时,同比增长6.3%,其中,工业用电量同比增长6.4%,高技术及装备制造业用电量同比增长10.6%;第三产业用电量3231亿千瓦时,同比增长8.3%,其中,充换电服务业、互联网数据服务业用电量增速分别达到55.1%、46.2%。
2026-03-18 09:26
当前,以家庭农场、农民合作社、龙头企业为代表的新型农业经营主体已成为“强农兴村”的中坚力量,发展成效显著。夯实联农带农长效机制,还需构建多层次、可落地的政策环境,让农业经营主体有动力、有能力、有底气带动小农户共同增收。
2026-03-18 09:26
在成都温江区,骑行爱好者李先生沿着北林绿道前行,穿梭在虫鸣鸟叫、淡淡花香之中。”  一幅幅充满生机的新春图景,正是成都加快建设践行新发展理念的公园城市示范区的生动注脚。
2026-03-18 09:26
分享几个故事,一起走进地球科学的世界。
2026-03-16 18:39
工业和信息化部、财政部、国家发展改革委日前印发《关于开展氢能综合应用试点工作的通知》。通知提出,通过城市群试点,将氢能应用场景由燃料电池汽车向交通、工业等具备条件的多元领域拓展。
2026-03-17 09:35
加载更多