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

  • 东北地区里程最长跨海大桥建设取得关键进展

  • 关注——为求职者提供多元选择

独家策划

推荐阅读
当前,人工智能与实体经济持续深度融合,产业变革多线并进。从算力芯片、工业智能装备到低空通航体系,技术创新持续打通落地堵点,全方位推动制造、服务等领域转型升级。
2026-08-26 09:32
这种由胶子彼此束缚形成的特殊粒子,就是胶球。
2026-08-26 05:50
“棉芯1.0”以“网页端+小程序端”双端设计,分别瞄准科研创新与田间生产两大核心场景。
2026-08-26 05:50
工业和信息化部绿色低碳标准化技术委员会日前成立
2026-08-26 05:15
做学问这件事,说到底就是认准一个目标一直追下去
2026-08-26 05:15
促进人工智能与农业发展相结合,是提升农业科技创新效能的重要着力点。
2026-08-26 05:15
中央气象台首席预报员陈双预计,出伏后,四川盆地、江汉等地将有高温天气出现,上述地区仍需关注“秋老虎”天气。
2026-08-25 09:49
近期,在部分高原、草原景区,投喂、抚摸野生旱獭(土拨鼠)或与其近距离合影打卡,成为不少游客跟风的行为。除了野生旱獭,黄鼠、沙鼠等啮齿动物也是鼠疫的自然宿主,野兔、狐狸、野猫等野生动物也可成为鼠疫的偶然宿主,均存在传播风险。
2026-08-25 09:47
翻看评论区,呼声最高的几条是“旺仔牛奶太甜了”“能不能出低糖版”——不是不爱,是当年的小孩长大了,而有些配方还没跟着长大。
2026-08-25 09:46
以人工智能为代表的新一轮科技革命和产业变革正在改变经济社会的传统发展模式。同时,世界百年未有之大变局加速演进,全球创新版图和竞争格局正在经历深刻调整。
2026-08-25 02:10
《教育强国建设规划纲要 (2024—2035年)》提出,以教育数字化开辟发展新赛道、塑造发展新优势。思政课是落实立德树人根本任务的关键课程,
2026-08-25 02:10
北斗在大众消费领域应用取得明显进展
2026-08-25 04:45
8月22日,第二届世界人形机器人运动会在国家速滑馆开幕,16个国家的666支赛队、2056台机器人参与竞逐。与此同时,2026世界机器人大会正在北京亦庄举办,汇聚全球前沿技术与产业成果,全面展现机器人走向千行百业的发展新趋势。
2026-08-24 10:17
六氟化硫是高压电力设备不可或缺的绝缘、灭弧介质,可它偏偏是一种强温室气体。更棘手的是,现阶段又很难找到一种合适的气体完全替代它。如何尽可能不让它进入大气?这是我们一直想解决的难题。
2026-08-24 10:16
所谓数字孪生,就是把一个物理实体在虚拟世界1∶1复刻——可以是一条产线、一个车间,甚至一座工厂。在胡少雄看来,数字孪生的高阶形态,是会“自感知、自决策、自执行”的智能体,这离不开传感器、人工智能算法、通信技术协同进化。
2026-08-24 10:12
中国科学院院士、华中农业大学教授、湖北洪山实验室主任张启发提出“双水双绿”理念,用一块田既种“绿色水稻”,又养“绿色水产”,发展水稻、水产“双水”产业,做优绿色稻米、绿色小龙虾等“双绿”产品。
2026-08-24 09:56
当厘清科研人员转化风险责任边界,构建专业化技术转移制度,明确技术转移机构设立条件及主要职责,通过完善相关制度,着力解决“不愿转”“不敢转”和“不会转”的问题,充分保护科研人员投身成果转化的积极性与主动性。
2026-08-24 09:48
2013年,东正光学的创始团队在广东深圳租下第一间厂房。4年后,当工业光学与电影影像的积累具备向更广泛创作者群体转化的条件时,东正光学重返消费市场,推出Thypoch(叙)品牌。
2026-08-21 07:20
7月17日,习近平主席在2026世界人工智能大会暨人工智能全球治理高级别会议开幕式上发表题为《携手构建公正合理的全球人工智能治理体系》的主旨讲话。
2026-08-21 02:00
近期,因冬季寒区试车而闻名的边疆小城——黑龙江黑河迎来了反季节试车热潮。在试运行的全球规模最大四季低温汽车试验场内,零下30摄氏度的室内一片冰天雪地,来自多个车企与零部件厂商的测试车辆正自如驰骋,借助静态低温舱、冰雪圆环、多角度对开坡道等专业场景展开性能测试。
2026-08-21 03:40
加载更多