每年的5月16日，是國(guó)際教科文組織制定的“國(guó)際光日”。

(資料圖)

這個(gè)國(guó)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(guò)激光的原理。正是因?yàn)橛辛思す獾拇嬖?，我們的夜晚才變得光彩奪目，光盤(pán)、芯片、光纖、激光雕刻等高科技工業(yè)產(chǎn)品也才得以問(wèn)世，大大提高了生活便利度。

激光 圖源：sztu.edu.cn

不過(guò)，激光固然美麗，看久了卻略顯單調(diào)。

而大自然的光影才是真正的變幻莫測(cè)，引人入勝。熱情奔放的夏日馬上就要到來(lái)，今天我們來(lái)盤(pán)點(diǎn)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(yáng)光下會(huì)形成影子，這是每個(gè)人都知道的生活常識(shí)，是“光沿直線傳播”的經(jīng)典案例。

但你知道嗎？無(wú)形無(wú)色的空氣其實(shí)也有影子。

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

我們大概率會(huì)看到白色墻面上有一些若有若無(wú)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(dòng)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(dòng)，并且在流動(dòng)過(guò)程中，空氣的密度和溫度是時(shí)刻變化的。

由于不同密度和溫度的空氣對(duì)光線的折射率不同，因此當(dāng)一束光線穿過(guò)流動(dòng)的空氣時(shí)，會(huì)由于折射率的變化而無(wú)法保持直線運(yùn)動(dòng)，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(lèi)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(guò)夏天的陽(yáng)光更為猛烈，可以短時(shí)間內(nèi)加熱地面附近的空氣，使其快速向上流動(dòng)，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(duì)流，此時(shí)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?chē)諝獾臏囟妊杆偕?，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(shuō)到海市蜃樓，大家可能想到的是沙漠上虛無(wú)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(jiàn)。

相比之下，公路上的海市蜃樓則更加常見(jiàn)和接地氣。

公路上的海市蜃樓

圖源見(jiàn)水印

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

筆者小時(shí)候曾經(jīng)在暑假騎行探險(xiǎn)，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(mèng)想中的水洼，卻又一次次撲了個(gè)空，感覺(jué)非常泄氣和困惑不解。后來(lái)長(zhǎng)大了才知道，原來(lái)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(guò)冷空氣（藍(lán)色）和熱空氣（紅色）界面時(shí)的折射現(xiàn)象

圖源：搜狐

光線從熱空氣進(jìn)入冷空氣時(shí)，會(huì)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(guò)多個(gè)溫度層的空氣時(shí)，就會(huì)沿一條曲線傳播。

海市蜃樓可分為上蜃景和下蜃景兩種類(lèi)型。上蜃景出現(xiàn)在高空中，此時(shí)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(shí)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(gè)像鏡子一樣的反射界面，而所謂的水灘其實(shí)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(huì)出現(xiàn)短時(shí)暴雨天氣。在雨過(guò)天晴的時(shí)候，我們就可以蹲守難得一見(jiàn)的彩虹了。

看到一個(gè)巨大的彩色拱門(mén)矗立在天地之間，那種震撼和賞心悅目的感覺(jué)是難以用語(yǔ)言形容的。

彩虹同樣是由光線的折射現(xiàn)象所造成的。太陽(yáng)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(kāi)來(lái)。物理課上的三棱鏡彩虹實(shí)驗(yàn)就是一個(gè)典型的例子，這也都是我們非常熟知的知識(shí)了。

水滴分光示意圖

圖源：globalweatherclimatecenter.com

接下來(lái)我們繼續(xù)探索一下知識(shí)的盲區(qū)：為什么彩虹總是圓形的？

答案很簡(jiǎn)單：

盡管大量小水滴將太陽(yáng)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(gè)“特定區(qū)域”是一個(gè)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(diǎn)繪制兩個(gè)虛擬圓錐，兩個(gè)圓錐底邊所包圍形成的圓環(huán)即為此時(shí)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(guò)空氣-水滴界面時(shí)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(gè)角度范圍處于40°（紫光）-42°（紅光）之間。

以人眼為頂點(diǎn)，分別在空中繪制一個(gè)半頂角為40°和42°的巨大虛擬圓錐，那么這兩個(gè)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(yáng)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(jiàn)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(gè)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(shí)，小紅在位置B也能看到另一個(gè)彩虹，小亮在飛機(jī)上的位置C甚至還有機(jī)會(huì)看到一個(gè)完整的圓形彩虹。

我們可以借用莎士比亞的名言：一千個(gè)人眼中有一千個(gè)彩虹。所以，珍惜你看到的彩虹吧，每一道彩虹都是專(zhuān)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(dú)特的自然現(xiàn)象：閃電。

嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，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(guò)這并不妨礙我們欣賞閃電那蘊(yùn)含巨大能量的光影。

閃電來(lái)源于空氣中帶電物質(zhì)的放電過(guò)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(huì)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(shì)差足夠大時(shí)，便會(huì)通過(guò)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(huì)首先進(jìn)行尖端放電，通過(guò)電荷流動(dòng)的方式形成一個(gè)通路。由于大氣時(shí)刻處于劇烈對(duì)流的狀態(tài)，所以電荷在流動(dòng)時(shí)自發(fā)會(huì)尋找電阻最低的路線，從而形成了一條像河流或樹(shù)根一樣的彎曲通路。通路形成后，就會(huì)有巨大的電流穿過(guò)，形成一道耀眼的閃電。

山中被閃電擊中的松樹(shù)

作者拍攝

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

但這對(duì)人體來(lái)說(shuō)也是非常危險(xiǎn)的，所以在雷雨天千萬(wàn)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?cè)谙奶爝€能觀察到很多其他有意思的光學(xué)現(xiàn)象：

如圍繞在太陽(yáng)和月亮周?chē)牟屎纾ㄈ諘灪驮聲灒?shù)蔭下斑駁的光影其實(shí)是一個(gè)個(gè)小小的太陽(yáng)（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(chóng)組成的星海（化學(xué)熒光物質(zhì)發(fā)光）等等。

這個(gè)夏天，讓我們帶上好奇心，開(kāi)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：崔天寧 兵器工業(yè)某研究所工程師