大气科学之大气奇景与光==大气中光的传播、形成

光在大气中的散射


　　当我们避开太阳朝天空张望时，看到的是蔚蓝的天空，这就是说，在那个方向的天空有光线射入我们的眼帘，从太阳发射过来的光线，在天空的某个地方改变了方向，不然的话，我们所能看到的一切，就只不过是星际空间的黑暗，或者是来自某个遥远星辰的亮光。原来，当光线穿过地球周围的大气时，它的一些能量就向四面八方反射，这样的过程就是散射。

　　因此，光波在遇到大气分子或气溶胶粒子等时，便会与它们发生相互作用，重新向四面八方发射出频率与入射光的相同，但强度较弱的光(称子波)，这种现象称光散射。子波称散射光，接受原入射光并发射子波的空气分子或气溶胶粒子称散射粒子。当散射粒子的尺度远小于入射光的波长时(例如大气分子对可见光的散射)，称分子散射或瑞利散射，散射光分布均匀且对称。

　　当散射粒子的尺度与入射光波长可比拟时(例如飘尘粒子对可见光的散射)，散射光的强度分布不对称而是分布复杂，称为米散射。

　　光在大气中散射的上述性质，造成了许多绚丽多彩的光象。

上中学的时候学过这些

光在大气中的折射

　　光在到达大气与透明物体的分界面，或者光在到达密度不同的两层大气的分界面时，会发生传播方向的屈折，我们把这种现象称之为光的折射。光的折射遵从折射定律。

　　气象学告诉我们，空气的密度的大小主要受气压和气温两个条件的影响。气压指得是单位面积空气柱的重量。大气层包围在地球表面，因此在大气层的低层气压较高，越向上气压越低。气压高则空气密度大，气压低则空气密度小。因此，正常情况下，总是贴近地面的空气密度最大，越向上空气密度越小。温度对空气密度的影响和气压则刚好相反。气温越高，空气的体积越膨胀，空气的密度越小；温度越低，空气收缩，则空气的密度变大。一般越接近地面温度越高（逆温层是个例外）。根据实测所得，在大多数情况下，温度的上下差别不是太大，而气压上下的差别却很显著，因此气压对空气密度的垂直分布所产生的影响远比气温的影响大，这就使得空气密度经常是越向上越小的（当然减小的情况并不是一成不变的）。

　　由于地球上空气的密度随高度的变化，折射率随密度减小而正比例地减小，因此光在大气中传播时，通过一层层密度不同的大气，在各层的分界面处会发生折射，使光线不沿直线传播而是变弯曲，这样当太阳和其他星体的光线进入大气以后，光线就会拐弯，这种现象称天文折射，这使在地面观测得的天体视位置S'比实际位置S高。

　　来自大气某目标物发出的光线，在向接收器传播途中发生屈折的现象称地球折射。
当大气中温度的垂直分布出现异常时，就会引起空气密度垂直变化异常因而产生异常折射。如果下层空气比上层空气冷，也就是出现了强烈的温度逆增时，光线在这种气温随高度升高因而使空气密度随高度锐减的气层中传播，会向下屈折；而光线在气温随高度而降低的气层内传播，会向上屈折。实际大气温度的垂直分布复杂多变，因而会产生丰富多彩的大气光象。

光在大气中的衍射

　　光波在传播过程中，遇到小尺度的障碍物时(指光波波长比障碍物尺度大得多)，光波具有的绕过障碍物而形成明暗相间光环的本领称光的衍射。例如光波可绕过小孔产生衍射，在纸屏上生成明暗相间的衍射光环。

　　在大气中传播的日光或月光遇到小云滴(小雨滴或小冰晶)等障碍物时，会绕过这些障碍物而产生衍射。当天空中存在由均匀小云滴组成的透光高层云或透光高积云时，月光在透过云层时遇云滴而产生衍射，由于云滴大小均匀，形成的衍射环能迭加，从而出现以月亮为中心的一圈圈明暗相间彩色光环，这就是华。

大气奇景和天气

　　现象是本质的显现。大气中的奇景不是偶然出现的，它们是大气运动状态的反映，因此，天空中奇景的变化又往往是大气变化的征兆。我国劳动人民利用这些现象判断天气变化的经验非常丰富。例如，谚语中就有：“早霞不出门，晚霞行千里”，就是利用霞来预测未来天气的。根据霞的生成原理，早晨出现鲜红的朝霞，说明大气中水滴已经很多，而且云层已经从西方侵入本地区，因此预示天气将要转雨；出现火红色或金黄色的晚霞，表示西方已经没有云层，阳光才能透过来造成晚霞，也就是本地区的上游天气已经放晴。这样，在原来笼罩本地区的云层东移以后，本地区天气将转晴。

　　又如：“东虹日出，西虹雨”，这条谚语也是根据虹出现的方向来推断未来天气是晴还是雨。由虹的形成原理可知，虹出现的方向，就是水滴存在的方向，虹在东方，表明我们东边大气里有较大的水滴存在；虹在西方，表明我们西边的大气中有较大的水滴存在。我国大部分地区处于西风带，天气系统一般是由西向东移动的，东方的云雨区以后会越来越向东移去，而西边的云雨区则很容易影响本地。这条经验就是揭示了这个天气演变的本质。

　　再例如：“日晕三更雨，月晕午时风”，这条谚语也是根据晕这个现象揭示未来天气变化实质的。我们知道，晕是太阳或月亮光线经过高空中有冰晶组成的卷层云时由于折射、反射而形成的。而卷层云通常是出现在低气压的前部，在它的后面就是造成降雨的高层云和雨层云。如果低气压的大风区经过本地，则还会有大风出现。当然，这条谚语并不一定就是指日晕预示下雨，月晕预示刮风，只是说风雨即将来临了。

　　总之，大气中的一切景象都是大气运动所造成的结果。所以，通过某些特殊的景象就能较科学地预测天气。

蔚蓝天空与小试验

　　在晴朗无云的日子里，若有人问你，天空是什么颜色？你一定会肯定地回答：天空是蔚蓝色的。宇宙飞船上的宇航员可以看到地球壳体外笼罩着蔚蓝色的大气层，我们也可在晴朗日子里站在旷野中看到蔚蓝的天空，而且天气越晴朗，天空的蓝色越显得澄澈。天空为什么呈蔚蓝色呢？

　　有人猜想，天空中含有一种蓝色的气体，或者大气本身就是蓝色的。事实究竟怎样？为了解答这个问题，有人做过这样的实验：用一根大约三尺长的玻璃管，玻璃管的两口各用玻璃板封闭起来。太阳光柱可由两端通过此管。先把管中的空气完全抽出，然后把空气、盐酸以及丁烷基亚硝酸盐蒸汽的混合物再灌进去。在数分钟内就起化学反应，产生出微细而均一的质点，浮悬在这混合气体之内。当太阳光线通过此管时，起初这些质点还少，我们看到管中先有暗的深青色。然后因为化学作用继续进行，质点的数量增加，光中的颜色也跟着愈变愈鲜明，蓝色光辉愈变愈浓。平时，我们也能见到这类现象，例如，当我们看到人在窗口抽香烟时，烟被室外阳光照射，呈现蓝色，袅袅上升。

　　天空呈蔚蓝色也是这个道理。当太阳光射入地球大气层时，遇到大气分子和其它微粒而被散射，这些大气分子和微粒本身是不会发光的，但是由于它们散射了太阳光，每一大气分子就变成了一个散射光的光源。它们向四面八方发射出光来。在高空没有多少飘尘粒子，故以分子散射(瑞利散射)为主，散射光的光强与入射光的波长四次方成反比。阳光所含的七种色中，紫、蓝、青光等的波长短，最容易被大气分子散射出来；而波长较长的橙、红、黄等颜色的光波透射力最强，被散射便弱，他们能透过这些大气分子而保持原来的射程方向。这样光波的分离作用就此发生，在高空的散射光便以紫、蓝、青光等为主。另外，散射光线的颜色与微粒的大小有密切关系，微粒越小，则只有短光波遭到散射，对下层空气分子散射来讲，主要是蓝色光线被散射出来。因此我们看到的天空是蔚蓝色的，而且天气越晴好，天空越蓝。

　　那末高空天空的颜色是否也是蓝色的？不一定。愈到高空，天空的颜色愈灰暗，甚至变成黑灰色。

　　原来，愈到高空，空气愈稀薄，空气分子数减少得很厉害，分子散射出的光辉就逐渐变弱，天空的亮度因此就愈来愈暗，由青色（离地约8公里以上）递变为暗青色（离地约11公里），再递变为暗紫色（离地约为13公里），只有那最易被散射的紫色光波才被高层稀疏的空气分子散射出来。到二十公里以上的高空，分子更稀少了，散射作用几乎完全看不出来，没有散射光，天空当然变成黑灰色的了。

　　低层大气中含有较多的尘粒，这里的散射以米散射为主，米散射不遵从分子散射那样的散射规律而是遵从更复杂的规律，阳光被散射后基本上仍为白光，我们也就看到地平线附近的天际为灰白色或青灰色。

海市蜃楼与小试验

　　从前，有一个骆驼队在炎气熏人的沙漠中踌躇前进。酷暑和干燥的天气使得旅行者疲乏不堪，皮袋中的水已经喝完了，嘴唇干得发裂，这时他们多么想能喝到一口清凉的水啊！突然，在遥远的前方沙漠间，出现了一个湖，湖的两岸高耸着宫殿和寺院，给他们带来了莫大的希望和清凉的预感。于是快速朝前奔去。走过一个沙丘又一个沙丘，但湖泊、宫殿和寺院仍在遥远的地方，忽暗忽亮，忽隐忽现。过了一会儿，突然湖水、宫殿、寺院全部消失得无影无踪了。

　　1957年7月，我国勘探队在戈壁滩上也看到了这种奇迹。

　　在平静无风的海面、大江江面、湖面、雪原、沙漠或戈壁等处偶尔会在空中或"地下"出现高大楼台、城廓、树木等幻景，我们称这种现象为海市蜃楼。我国山东蓬莱海面上常出现这种幻景。在我国古代传说中，认为蜃乃蛟龙之属，能吐气而成楼台城廓，又说海市是海上神仙的住所，它位在“虚无飘渺间”，因而得此名。宋朝沈括在《梦溪笔谈》中这样写道：“登州海中时有云气，为宫室台观，城堞人物，车马冠盖，历历可睹。”