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 日/周
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 贵州雷山:巡游展演庆苗年

  • 北京:初冬时节秋未远

独家策划

推荐阅读
技能是劳动者的重要生产禀赋,是其嵌入生产过程、与生产工具协同的关键点。机械化、电气化和自动化催生了产业革命,建立起机器大生产与标准化流水线。在此情境下,对标准化设备的熟练操作成为劳动者的核心技能,“动手能力”成为技能人才的鲜明标签。
2026-11-13 09:55
由自然资源部、国家发展改革委联合印发的《关于“人工智能+自然资源”的实施意见》日前对外发布。《意见》旨在推动人工智能在自然资源领域规模化、产业化创新应用,服务国土空间规划“一张图”智能化升级。
2026-11-13 01:50
天津农业合成生物与生物智造科创园占地41.4亩,布局创新创业、中试、检验检测等七大功能板块,承担的是“从1到10”的成果转化职能。用谯仕彦自己的话说:“实验室实现‘从0到1’,工厂完成规模化制造,二者中间横亘着中试熟化、工程放大、市场验证等重重关口。这座科创园,就是一座跨越转化难关的桥梁。”
2026-11-13 01:50
知识的创新、传播与应用彼此关联,却承担不同的认知任务。把已有道理向更多人讲清楚,可以扩大知识的社会影响;提出此前尚未形成的科学解释,则可能改变人们对世界的认识。评判人工智能在知识生产中的作用,应区分知识传递的效率与知识创新的增量,并考察其在不同知识活动中承担的任务。
2026-11-13 02:20
该井位于渤海中部海域,紧邻渤海最大的富烃凹陷—渤中凹陷,在火山岩地层中累计钻遇超120米天然气层,完钻井深5770米。经测试,该井日产天然气约80万立方米(约2800万立方英尺),展现了海上超深层火山岩领域广阔的勘探前景,有力推动了渤中凹陷天然气勘探进程。
2026-11-13 02:20
绿色算力既是数字基础设施建设的重要方向,也是清洁能源优势转化为发展动能的现实路径。当前,人工智能技术加快迭代,算力在科技创新和产业升级中的基础作用日益凸显,持续增长的计算需求对电力保障能力和能源利用效率提出了更高要求。
2026-11-12 01:30
把两根绳子接起来量一量,总长就出来了,不必先把两段长度换算成数字再相加。模拟计算走的是这条路:不把问题拆成一条条指令,而是让物理规律直接给出结果。北京大学人工智能研究院孙仲团队牵头,联合意大利米兰理工大学、IBM苏黎世研究院和美国一家公司的研究人员,为正在升温的模拟计算研究提出“现代模拟计算”统一框架。相关论文于近日发表。
2026-11-12 01:30
眼下,重庆市彭水苗族土家族自治县的红薯正值采挖时节,一辆辆轻型卡车在通往种植基地的“产业路”上穿梭,将收获的鲜薯运送到县工业园的重庆乐薯农业有限公司,经过严格的品质检测、清洁和一系列加工程序后,便成了人们常见的红薯淀粉。
2026-11-12 02:05
11月10日,记者从山东省泰安市人民政府新闻办举行的发布会获悉,泰安将科学有序、免费开放部分泰山景区等场地,为国内外机器人企业、科研机构提供实景训练测试条件,同时统筹做好场景供需对接、数据算力支撑、落地服务保障等,推动泰安新型工业化强市建设。
2026-11-12 02:05
当前,全球新一轮科技革命和产业变革加速演进,以生成式人工智能为代表的通用目的技术正从生产端加速向消费端传导。餐饮住宿、文旅出行、养老照护、教育培训、家政美容等服务消费,直接关系到千家万户的日常生活品质。推动人工智能在服务领域深度应用,让前沿技术成果惠及更多消费者,已成为各国促进消费、提升服务业竞争力的共同关注点。
2026-11-12 02:15
全透明光伏发电玻璃可使玻璃幕墙建筑成为分布式光伏电站;新一代柔性太阳能电池阵,能为中国空间站提供电力保障。下一步,我们要高水平推进“中国碳谷”建设,形成创新合力,打通基础研究、技术攻关、产业孵化和品牌塑造全链条。
2026-11-11 09:27
国家卫生健康委、国家医保局、国家中医药局、国家疾控局共同制定印发《关于进一步做好创新药安全合理配备使用工作的通知》,满足群众多元化用药需求,提高疾病治疗效果,保障医疗质量安全。
2026-11-11 01:45
培育和发展新质生产力急需高质量创新人才。高校的独特之处,在于教育、科技、人才要素集聚,它处在科技第一生产力、人才第一资源、创新第一动力的结合点上,也承担着将三者统合起来的制度功能。
2026-11-11 01:45
与其说是AI解出了难题,不如说是人类在AI的协助下拓展了边界。这带来的不仅是解题速度的提升,更是一场深刻的科研范式之变。
2026-11-11 01:45
主动对接国家西部战略和甘肃现代产业体系建设
2026-11-11 01:45
“把技术真正用到生产线上,把产品的附加值提上去,为三峡库区的发展出一份力。”11月7日,重庆三峡医药高等专科学校青年教师黎春红,在重庆国际人才交流大会第四届重庆三峡人才节开幕式上的发言,道出了扎根库区青年人才的共同心声。
2026-11-11 01:45
2026文化科技产业发展论坛9日在湖南长沙开幕,在论坛现场,2026文化科技融合十大典型案例以及20个创新案例发布。
2026-11-10 01:40
访客随手拿起一张,掏出手机或用现场扫码器扫一扫二维码,技术亮点、应用场景、项目负责人信息等全部跃然眼前。厚重的专利卷宗、深奥的学术论文,就这样化作产业人士可以快速读懂的内容。
2026-11-10 01:40
镜头这边,是华东政法大学研支团的黄祖维、常秩豪、杨朗;镜头那头,是云南普洱景东华政附属三合麦地小学的小学生,和新疆喀什巴楚县第二中学的初高中生。500多个孩子,隔着屏幕看进博。这是华政研支团连续第五年开展“云端看进博”,3位讲师刚结束一年支教,曾站在这两处山乡讲台,如今是进博会的“小叶子”。
2026-11-10 02:00
事实上,这并不是镜片行业一次偶然的“乱”。这背后,是标准的缺失与监管模糊地带的长久存在。眼镜虽小,却关乎几亿人的明亮“视”界。近视防控镜片行业信任的“标尺”,不仅应尽快立起来,更要立得牢。
2026-11-10 01:40
加载更多