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