夏日來臨，宜“賞光”

每年的5月16日，是國際教科文組織制定的“國際光日”。

這個國際紀(jì)念日非常年輕，誕生于2018年，其初衷是為了紀(jì)念1960年5月16日激光的誕生。

之前的文章就曾介紹過激光的原理。正是因為有了激光的存在，我們的夜晚才變得光彩奪目，光盤、芯片、光纖、激光雕刻等高科技工業(yè)產(chǎn)品也才得以問世，大大提高了生活便利度。

激光

圖源：sztu.edu.cn

不過，激光固然美麗，看久了卻略顯單調(diào)。

圖源：gifer

而大自然的光影才是真正的變幻莫測，引人入勝。熱情奔放的夏日馬上就要到來，今天我們來盤點一下，夏天有哪些奇特的光學(xué)現(xiàn)象吧！

一、空氣的影子

不透光的物體在陽光下會形成影子，這是每個人都知道的生活常識，是“光沿直線傳播”的經(jīng)典案例。

但你知道嗎？無形無色的空氣其實也有影子。

在光照條件良好的晴天上午，我們可以找一面陽光直射的白色墻壁，然后仔細(xì)觀察。

圖源：網(wǎng)絡(luò)

我們大概率會看到白色墻面上有一些若有若無的陰影，它們就像是水流一樣，形狀飄忽不定，不斷上升。

這就是空氣的“影子”，這讓我們可以間接觀察空氣的流動狀態(tài)。

空氣總是由低溫區(qū)域（高壓）向高溫區(qū)域（低壓）流動，并且在流動過程中，空氣的密度和溫度是時刻變化的。

由于不同密度和溫度的空氣對光線的折射率不同，因此當(dāng)一束光線穿過流動的空氣時，會由于折射率的變化而無法保持直線運動，最后造成投射到墻壁上的光有的部分亮，有的部分稍暗，由此形成了類似水面波紋一樣的紋路。

這種現(xiàn)象在一年四季的晴天都可以看到，只不過夏天的陽光更為猛烈，可以短時間內(nèi)加熱地面附近的空氣，使其快速向上流動，所以更容易觀察。到了中午之后，地面附近空氣溫度都已經(jīng)達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，不再發(fā)生劇烈的對流，此時就不再容易看到了。

蠟燭火焰上方的空氣“影子”

圖源：搜狐

在溫度較高的熱源上方同樣能夠觀察到空氣的影子，例如熊熊大火使周圍空氣的溫度迅速升高，造成了明顯的光線扭曲現(xiàn)象。而瀝青則可以在烈日的暴曬下吸收大量熱量，不僅能在公路上觀察到劇烈蒸騰的空氣，還可以看到一種特殊的光學(xué)現(xiàn)象——海市蜃樓。

二、公路上的海市蜃樓

說到海市蜃樓，大家可能想到的是沙漠上虛無縹緲的綠洲、大海上雄偉的高樓、云海中影影綽綽的廟宇等景象。

這些海市蜃樓盡管非常壯觀，但卻難得一見。

相比之下，公路上的海市蜃樓則更加常見和接地氣。

公路上的海市蜃樓

圖源見水印

在炎熱晴朗的夏天，如果我們乘坐汽車行駛在公路上，就會發(fā)現(xiàn)前方的路面上有一大灘水跡。但當(dāng)汽車靠近時，水跡卻忽然消失不見了，并且又重新出現(xiàn)在了不遠(yuǎn)的前方。

筆者小時候曾經(jīng)在暑假騎行探險，在烈日酷暑的公路上又渴又累，一次次懷著希望努力騎向前方的夢想中的水洼，卻又一次次撲了個空，感覺非常泄氣和困惑不解。后來長大了才知道，原來這是一種海市蜃樓現(xiàn)象，是由光線的折射現(xiàn)象所造成的。

光線穿過冷空氣（藍(lán)色）和熱空氣（紅色）界面時的折射現(xiàn)象

圖源：搜狐

光線從熱空氣進(jìn)入冷空氣時，會出現(xiàn)偏向低溫區(qū)域的折射現(xiàn)象；當(dāng)光線連續(xù)穿過多個溫度層的空氣時，就會沿一條曲線傳播。

海市蜃樓可分為上蜃景和下蜃景兩種類型。上蜃景出現(xiàn)在高空中，此時地面（海面）附近的空氣溫度低于高空中空氣的溫度，光線沿一條上凸曲線傳播；而下蜃景則出現(xiàn)于地面，此時地表（公路路面、沙漠等）附近的空氣溫度要高于高空中的空氣溫度，光線沿一條下凸曲線傳播。

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

圖源：參考文獻(xiàn)[1]

所以，熾烈的熱空氣在公路、沙漠表面形成了一個像鏡子一樣的反射界面，而所謂的水灘其實只是天空的倒影罷了。

柴達(dá)木盆地海市蜃樓

三、美麗的彩虹

夏天天氣多變，經(jīng)常會出現(xiàn)短時暴雨天氣。在雨過天晴的時候，我們就可以蹲守難得一見的彩虹了。

看到一個巨大的彩色拱門矗立在天地之間，那種震撼和賞心悅目的感覺是難以用語言形容的。

彩虹同樣是由光線的折射現(xiàn)象所造成的。太陽光由五顏六色的單色光組成，這些單色光線的折射率不同，因此很容易被雨后空氣中密布的小水滴以折射-反射-折射的方式分離開來。物理課上的三棱鏡彩虹實驗就是一個典型的例子，這也都是我們非常熟知的知識了。

水滴分光示意圖

圖源：globalweatherclimatecenter.com

接下來我們繼續(xù)探索一下知識的盲區(qū)：為什么彩虹總是圓形的？

答案很簡單：

盡管大量小水滴將太陽光線向四面八方折射，但是只有處于特定區(qū)域內(nèi)的虹光才能被我們所看到。

這個“特定區(qū)域”是一個圓形的環(huán)狀區(qū)域，它的范圍是由光線在空氣-水滴界面上的折射率和反射率所決定的。

以人眼為頂點繪制兩個虛擬圓錐，兩個圓錐底邊所包圍形成的圓環(huán)即為此時人眼可看到的彩虹，圖中僅繪制了42°虛擬圓錐

圖源：blogspot.com

不同顏色的光線在穿過空氣-水滴界面時的折射率和反射率各不相同，因此最終各自以特定的角度向外傳播，這個角度范圍處于40°（紫光）-42°（紅光）之間。

以人眼為頂點，分別在空中繪制一個半頂角為40°和42°的巨大虛擬圓錐，那么這兩個圓錐底邊所包圍形成的圓環(huán)，就是我們所看到的圓形彩虹。

當(dāng)前陽光光線角度導(dǎo)致彩虹圓環(huán)的圓心位于地面之下，所以只能看見一部分彩虹

圖源：globalweatherclimatecenter.com

飛機(jī)上能看到完整的彩虹

圖源：dailymail.co.uk

觀察者身處的位置不同，這個虛擬圓環(huán)的位置也就不同。

所以當(dāng)小明在位置A看到彩虹時，小紅在位置B也能看到另一個彩虹，小亮在飛機(jī)上的位置C甚至還有機(jī)會看到一個完整的圓形彩虹。

我們可以借用莎士比亞的名言：一千個人眼中有一千個彩虹。所以，珍惜你看到的彩虹吧，每一道彩虹都是專屬于你自己的風(fēng)景。

四、威力巨大的閃電

夏天的暴風(fēng)雨中還存在著一種獨特的自然現(xiàn)象：閃電。

嚴(yán)格來說，閃電并不屬于光學(xué)現(xiàn)象的范疇，而是屬于靜電學(xué)現(xiàn)象。不過這并不妨礙我們欣賞閃電那蘊含巨大能量的光影。

閃電來源于空氣中帶電物質(zhì)的放電過程。

由于空氣中水滴、灰塵等微粒之間的相互摩擦作用，一團(tuán)水汽充沛的積雨云很容易便會持續(xù)積累起數(shù)量龐大的正、負(fù)電荷。一般云層的上半部分帶正電，下半部分帶負(fù)電，當(dāng)兩者之間的電勢差足夠大時，便會通過各種途徑進(jìn)行放電，從而形成閃電現(xiàn)象。按照放電的方式不同，閃電可以分為云中閃電、云間閃電和云地閃電三種。

云中閃電（左）、云間閃電（中）和云地閃電（右）

圖源：維基百科

在閃電誕生前，放電兩極之間會首先進(jìn)行尖端放電，通過電荷流動的方式形成一個通路。由于大氣時刻處于劇烈對流的狀態(tài)，所以電荷在流動時自發(fā)會尋找電阻最低的路線，從而形成了一條像河流或樹根一樣的彎曲通路。通路形成后，就會有巨大的電流穿過，形成一道耀眼的閃電。

山中被閃電擊中的松樹

作者拍攝

由于空中云層間的電勢差巨大，因此放電電壓高達(dá)百萬伏特以上，放電路徑上的溫度可高達(dá)上萬攝氏度。一道閃電的持續(xù)時間僅有幾微秒，所以盡管它的放電功率很高，卻也無法釋放太多的能量，“僅僅”只夠劈掉一棵樹而已。

但這對人體來說也是非常危險的，所以在雷雨天千萬不要到空曠的地方去引雷哦。

五、其他光學(xué)現(xiàn)象

除了上面提到的例子之外，我們在夏天還能觀察到很多其他有意思的光學(xué)現(xiàn)象：

如圍繞在太陽和月亮周圍的彩虹（日暈和月暈）、樹蔭下斑駁的光影其實是一個個小小的太陽（小孔成像）、夜空中明亮的星星在不停地眨眼（光線折射）、由螢火蟲組成的星海（化學(xué)熒光物質(zhì)發(fā)光）等等。

這個夏天，讓我們帶上好奇心，開啟夏日的“賞光”之旅吧！

參考文獻(xiàn)：

[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] 閃電. 維基百科. https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%97%AA%E7%94%B5

作者：流火

兵器工業(yè)某研究所，工程師