夏日来临，宜“赏光”

　　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