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大氣光象,在太陽和月球等自然光源的照射下,由於大氣分子、氣溶膠和雲霧降水粒子的反射、折射、衍射和散射等作用而引起的一系列光學現象。

1 大氣光象 -種類

曙暮光

太陽位於地平以下時,陽光仍可照射到大氣的高層,由於高層大氣分子對日光的散射(見大氣散射)而使地面有一定的照度。在日出前稱為曙光,日落後稱為暮光,曙光和暮光統稱為曙暮光,亦稱晨昏蒙影。

日落後,隨著太陽在地平以下角度(α)的增大,能受到太陽照射的大氣層越來越高,而大氣分子數隨高度按指數規律遞減,所以天空散射光的強度越來越弱,使地面照度越來越小。反之,在日出前,天空散射光的強度逐漸增強,地面照度也逐漸加大。由於曙光開始和暮光終了的時間標準不同,有民用曙暮光、航海曙暮光和天文曙暮光之分。當大氣散射光使地面照度減弱到不用人工照明就難以在戶外正常活動時(如難以辨認印刷品的特大號字體,交通運行發生困難等),就是民用曙光的開始或暮光的終了。晴天時,這相當於太陽降到地平以下α為6°~8°處。航海人員用沿岸目標物在海上確定方向,可以在光亮程度比民用曙暮光更弱的情況下進行,但當 α約12°時不用信號燈已不能辨別方向,這就是航海曙光的開始或暮光的終了。當α約18°時,這種散射光已極其微弱,天空相當黑暗,可以看到所有肉眼能看到的恆星,即六等量以下的恆星,這就是天文曙光的開始或暮光的終了。曙暮光的持續時間在赤道最短,隨緯度增高而逐漸增加。

曙暮光現象與高層大氣光學性質密切相關,通過對曙暮光亮度、偏振度和色彩的觀測,可推斷大氣的密度和氣溶膠的分佈,這是一種間接探測高層大氣的方法。

朝晚霞

日出前和日落後,主要在太陽附近的天空出現色彩繽紛的現象。出現在早晨的,叫朝霞,出現在傍晚的,叫晚霞,統稱朝晚霞。當朝陽初升或日落以前,太陽接近地平時,帶著橙黃色甚至紅色,從太陽升起或下落的地方順天空向周圍展現扇形的彩帶。太陽離地平還遠時,顏色很淡,離地平越近,就逐漸加深,扇形也隨著縮小。即使是朝陽升上地平之前或夕陽落下地平之後,也有彩霞出現。每當民用曙光初現,朝霞就開始映射;而當民用暮光終止時,晚霞就隨著消失。大氣中的水汽和灰塵含量愈多,朝晚霞現象就愈顯著,且愈富於紅色。理論上完整地解釋朝晚霞的複雜現象還比較困難,但它不外乎是大氣分子、氣溶膠粒子和水汽凝成物等對太陽光的散射和衍射所造成的。

濃度較大、直徑很小的氣溶膠粒子對太陽光散射造成的光象。出現霾時,大氣混濁,呈乳白色,水平能見度明顯降低,一般降到10公里以下,給人以不甚透明的感覺。透過霾層遠望時,猶如隔了一層有色的薄幕使物體染色。當背景發暗時,薄幕呈淺藍色;當背景明亮時,薄幕呈淡黃色或紅色。

陽光射入水滴(雨滴、毛毛雨滴或霧滴)經折射和反射而形成在雨幕或霧幕上的彩色或白色光環,稱為虹,它對觀測者的角半徑約42°,色序排列是內紫外紅,總寬度約2°,又稱主虹,在主虹的外側,有時還能看到角半徑約52°的同心光環,稱為霓,又稱副虹。副虹的色序和主虹相反,外紫內紅,寬度約為主虹的兩倍,但亮度比較弱。偶爾,在主虹虹圈以內和副虹虹圈以外還可看到很弱的彩環,稱為附屬虹。

根據幾何光學原理,當平行的太陽光束照射到水滴上時,從不同部位入射的光經水滴折射和內反射后,向各個方向射出,大部分是發散光,只有從某一適當部位以一定入射角射入的光束,射出時仍保持平行,這時入射光和出射光的夾角β(偏向角)最小,光的強度也最大。這種以一定入射角入射經水滴一次內反射而滿足最小偏向角的那部分光線,構成了虹,而以一定入射角入射經水滴兩次內反射且滿足最小偏向角的光線則構成霓。觀測角θ=180°-β。要完整地解釋虹的全部現象,必須藉助於衍射理論,這樣才能說明虹的亮度和附屬虹現象。但也有人用米散射理論來解釋的。   

通常雨滴越大,虹越鮮艷明亮。當雨滴平均直徑在1~2毫米時,紫和綠光環特別鮮明,紅光環也很純凈,但藍光環幾乎消失,而在主虹內側出現好幾條(往往為5條)色帶較窄的紫和綠交替排列的附屬虹;當雨滴平均直徑為0.5毫米時,紅光環的亮度大為減弱,附屬虹較少;當雨滴平均直徑為0.2~0.3毫米時,不出現紅光環,其餘的光環卻很清晰,虹帶顯得寬些,附屬虹的數目也較多,且顯黃色;當雨滴平均直徑為0.08~0.1毫米時,虹帶較寬較淡,只有紫色較顯著,附屬虹呈白色;當雨滴平均直徑小於0.06毫米時,主虹已無彩色,僅出現清晰的白光環而已;當雨滴平均直徑小於0.05毫米時,則出現淡白光環,亦稱白虹。因為在同一時刻,空中雨滴的大小並不會完全一致,即使在同一虹中,甚至同一彩色光環中,它的顏色、亮度都會有變化。因此我們能夠根據虹的色彩變化,大致估計雨滴的大小。

它是懸浮在大氣中的冰晶(捲雲、冰霧等)對日光或月光的折射和反射作用而形成的一組光學現象(或稱大氣暈族),呈環狀、弧狀、柱狀或亮點狀。大氣暈族主要包括22度暈、46度暈、近幻日、遠幻日、近幻日環、環天頂弧、環地平弧、內暈珥、日柱、 反假日等。其中最常見的是22度暈(見彩圖),因其暈環對觀測者的張角半徑為22°而得名,又稱內暈。它色彩鮮明,色序內紅外紫,與虹相反。通常以紅色最清晰,橙、黃次之,綠、藍甚淺淡,紫色不顯。出現在22度暈上、下的兩個切弧稱外切暈。和22度暈相類似但出現機會少得多的是46度暈,它對觀測者的張角半徑為46°,又稱外暈。外暈的色序與內暈相同,但色彩不鮮明,亮度也弱,往往只能看到白色的光環而已。   

造成大氣暈族的雲中冰晶形狀主要有四種,即六角板狀、六角柱狀、帶帽蓋的六角柱狀和六角錐狀。六角形冰晶,如光線以入射角i由一側射入,從相間的另一側面射出時,只有入射角i=(β+γ)/2時才滿足最小偏向角條件,形成最大亮度。式中β為最小偏向角,γ為冰晶相間側面的交角。這時,折射定律可寫為

大氣光象

式中m為冰晶的復折射率,約1.31。由此可算得當γ=60°時(冰晶軸呈水平方向),β約為22°;當γ=90°時(冰晶軸呈鉛直方向,光線由六角形冰晶的側面射入而由端面射出,反之亦然),β約為46°。因為冰晶軸呈水平方向的狀態較鉛直方向穩定,所以22度暈比46度暈更穩定和常見。46度暈即使出現,也難以形成完整的暈圈,而表現為暈圈的一段光弧。   

除22度暈和46度暈而外,還有一些人們不太熟悉的大氣暈族:
近幻日環  
位於與太陽同一高度角上並穿過太陽的白色水平光環,它是由太陽光在雲層中一定取向的冰晶的外表面上反射而形成的。因為雲層經常不能均勻地覆蓋天空,所以很少看見完整的近幻日環。
近幻日  
位於近幻日環上的彩色光點。22度暈左右兩旁有兩個近幻日,46度暈左右兩旁也各有一個近幻日。22度暈和它的近幻日成因相似,比較常見,但46度暈的近幻日卻很少見。   
遠幻日  
位於離太陽120°處的幾個稍大於太陽光碟的白色圓點。有時也可在離太陽90°處出現。 遠幻日在地平上的高度和太陽的高度相同。
環天頂弧  
位於以天頂為中心的水平面上的發光彩色圓弧。光從冰晶的上水平面射入,由垂直側面射出。當太陽高度角大於32.2°時,光在冰晶內部將全反射;高度角等於32.2°時,射出的光筆直向下傳播,使環天頂弧呈現為亮斑;當太陽落到32.2°以下時,這個亮斑就展現為以天頂為中心,朝向太陽的華麗彩弧。因此,環天頂弧只在太陽高度角小於32°左右時才能看到。
環地平弧  
靠近地平面而呈水平環狀的發光彩色圓弧。它是環天頂弧的補充,也可稱為下環天頂弧。根據對稱性,可以推斷環地平弧不能在太陽高度角低於57.8°(即90°-32.2°)時出現,隨著太陽升高,環地平弧也升高,它是一種罕見的光象。
內暈珥  
位於22度暈的上方和下方,分別稱為上內暈珥和下內暈珥,類似於環天頂弧和環地平弧。產生內暈珥的是柱狀冰晶,光線的傳播路徑與22度暈類似。
日柱  
從地面看到的太陽正上方或正下方的白色、橙色或紅色光柱, 可以是連續的或不連續的。 它是由板狀冰晶和帶帽蓋的柱狀冰晶的基面反射太陽光時形成的。沉降的冰晶在其平均取向附近擺動,使所反射的太陽圖象在鉛直方向形成模糊不清的漫射光柱。
反假日  
在近幻日環上和太陽相對處出現的白色光點。它是陽光由柱狀冰晶側面射入,在底面和另一側面均發生全反射后,由原側面再次射出的光線所形成的。通常將反假日、近幻日和遠幻日統稱為假日。
除太陽光外,月光也能形成相應的暈象。暈象經常是壞天氣的徵兆。

天空有薄雲存在時,透過雲層在太陽或月亮周圍看到的彩色光環,其色序為內紫外紅,最多可重複出現三次。最靠近華髮光體的光環叫華蓋,華的內側呈白色或青白色,中間是黃色,外緣呈紅褐色。其角半徑通常小於5°,一般只包含華蓋部分,然而發展完善的華,其角半徑可達10°。因日光太亮,日華不易被觀測到,月華則較為常見。

光通過大小和光波波長相當的小孔或狹縫等微小障礙物時,會發生衍射。華就是由日光或月光在雲中水滴或冰晶間發生衍射而生成的。華的彩環位置和雲滴直徑d有關,sinφ=(n+0.22)λ/d。式中φ是波長為λ的第n級光環的角半徑。由此看出,雲滴越小,光環越大。根據這種關係,只要測定華的彩環張角,就能大致估計雲滴的平均大小。火山爆發后,空中懸浮大量和光波長大小相近的火山塵,當它們飄浮在太陽或月亮光碟之下時,因衍射作用也能生成類似於華的彩色光環,角半徑約22°,稱為畢旭甫光環(Bishop's ring)。

華是一種地方性的天氣預兆,如果從暈變到華,而且華的張角又在變小,則表示雲中水滴增大,雲層變厚,因而有降水的可能。

寶光環

人在背向太陽時,從小水滴組成的雲、霧背景上可能看到在自己影子周圍出現的彩色光環,色序與華相同,內紫外紅,有時可達五層之多,而在距彩色光環一定間隔的最外緣,有時還可看到角半徑為30多度的白色大環。因寶光環與華類似,但出現在太陽對面,又稱「反華」。它也是一種衍射現象,但形成衍射的光是陽光在水滴中折射、反射,再沿水滴表面傳播一定距離后平行於原方向射出的光線。與華相似,寶光環的角半徑隨雲滴增大而變小。因為日、月光源對人眼的張角均在半度左右,所以每個光環都至少要有半度寬,當環直徑小到使各環的間距僅為半度時,則看不出明顯的環,而是形成一片光亮的華蓋。當我們看到明顯的寶光環時,可以斷定雲滴直徑小於50微米。

寶光環常在德國哈茨山脈布羅肯峰附近觀測到,所以又叫 「布羅肯寶光」 (Brocken spectrum或Brockenbow)。在多雲霧的山峰一般常可看到寶光環。如中國四川峨眉山等地也常看到這種光象, 在中國把寶光環稱為 「峨眉寶光」。當飛機在雲層上空飛行而上方有陽光照射時,飛行員或乘客有時也能在雲幕上看到內含飛機影子的寶光環。   

海市蜃樓

由於劇烈的溫度梯度使光線發生顯著折射時,在空中或地平線下出現的奇異幻景,又稱「蜃景」(見彩圖)。「海市」是傳說中海上神仙的居所,蜃是傳說中的蛟龍,能「吐氣為樓台」,所以「海市蜃樓」或「蜃景」均指虛無飄渺的幻景。海市蜃樓常發生在海邊和沙漠地區,常見的有上現蜃景和下現蜃景,有時還會發生更複雜的蜃景。

上現蜃景  
常出現在雪原、寒冷海洋等地區。這些地區近地面冷卻所形成上熱下冷的劇烈溫度梯度,使得低層空氣密度比高層大得多,由於大氣折射作用使地面實物的景象向上抬升而顯示在空中,看起來遠處的景物似乎處於天空的某一高度上,甚至能見到遠在地平線以下的景物。   

下現蜃景  
常出現在由於暴晒而強烈增溫的水域、陸地、海濱和公路等上空。地表增溫所形成的上冷下熱的劇烈溫度梯度,使高層空氣的密度反而比低層大,在這種情況下的大氣折射,使地上實物的景象下降到地面之下,看起來遠處的景物似乎都處於地面之下,甚至看不到本來位於地平線上的目標。這種蜃景往往為倒象。因為上重下輕的空氣狀態是不穩定的,所以下現蜃景存在的時間一般較短。

側現蜃景  
海市蜃樓的一種,當鉛直面暴晒而形成水平溫度梯度時,由於大氣折射而在實物側面所出現的幻景。由於溫度梯度分佈的不同,加之大氣湍流的影響,海市蜃樓往往還會發生伸長、縮短,以及強度和形狀變化極快的閃晃現象。此外,還有一種變幻不定的蜃景叫做複雜蜃景(Fata Morgana),原指在義大利西西里島東北墨西拿海峽所出現的複雜蜃景。它是由與下現蜃景類似的不穩定狀態再加上湍流活動所形成的。

星光閃爍

星光通過大氣之後,強度發生隨機變化的現象,是一種光波在湍流大氣中的傳播效應。晴空夜晚,肉眼就能看到這種星光亮度時明時暗的閃爍現象,俗稱星星眨眼。通過望遠鏡觀察,便會清楚地看到,除了亮度不斷變化之外,星的位置和色彩也不斷變化。這種位置振動的振幅約為幾分之一[角]秒至幾[角]秒,振動頻率約為2~30赫,常把這種位置的變化稱為抖動。星光亮度的閃爍系光波強度起伏引起,而星光位置的抖動系光波相位起伏引起。星的高度角越小,星光通過的路徑越長,則星光閃爍現象越明顯(見大氣折射)。星光閃爍是天文閃爍的一種,光波在近地面大氣水平方向傳播時也會出現這種現象,相應的叫地面閃爍。當地面閃爍強烈時,會妨礙閃亮信號燈的作用,限制望遠鏡瞄準的精度等。夏日觀測遠處地面的景物時,常有晃動的感覺,這就是地面閃爍的效應,也稱為閃晃。由高靈敏度光電儀器記錄的星光強度的變化,可以發現在星光平均強度背景上疊加著許多不規則的起伏。分析表明,這種起伏周期主要在1~100赫之間。閃爍的頻譜與光波傳播路徑上的橫向風速分量有關,風速加大,頻譜向高頻方向移動。閃爍強度也與大氣湍流強度有關,因此有明顯的日變化,中午最強,夜間最弱。利用上述效應測量閃爍強度的變化,有可能推斷大氣中的風速結構和湍流狀況。

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