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第21章 大气中的光学奇观(3)

既然像日华,就可以用日华形成原理来解释佛光的形成:太阳光遇到云雾时,受到云雾滴的阻挡,若云雾滴足够小(线长不大于光波长),光波绕过云雾滴后可产生衍射光环。由于衍射波纹宽度与入射光波长有关,即波长越长,衍射波纹越宽,波长越短,衍射波纹越窄,因此红光衍射波纹最宽,紫光衍射波纹最窄,其余五色介于其间。七种不同宽度的衍射波纹叠加,形成了外红内紫的七色光环。

日光绕过云雾滴后产生的衍射光环,只有面对光的来向时,才能看到佛光,背对太阳者真的与佛光无缘。因此,衍射虽可产生彩色光环,但却不能让背对太阳的观测者看到光环。如果光可以倒行逆“驶”,情况则另当别论。

在物理试验中,要看到衍射光的“实况”,需借助接受屏(或显示屏)。当光绕过障碍物遇到衍射屏时,经衍射屏反射(使光倒行逆“驶”),试验者可在接受屏上看到(狭缝)衍射条纹或(小圆盘、小孔)环形衍射波纹。

如果太阳光绕过云雾滴产生的彩色光环也能在“接受屏”上显示,观测者就不必担心看不到佛光。而云雾就是天然的“接受屏”。当云雾水平尺度较大时,阳光在云雾前部形成的衍射光环经云雾中部或后部反射,可将佛光“送入”背对太阳的观测者眼中。水平尺度较大的云雾,前部的云雾滴是迫使阳光衍射的障碍物,驱动太阳衍射光环的形成;中部或后部的云雾幕,是天然的衍射图样的“接受屏”,是佛光的载体。如果云雾水平范围小,将不能起到“接受屏”的作用,即便可形成佛光,背对太阳者也不能看到。

由于佛光是太阳光衍射而成,因此佛光直径的大小,随云雾滴线长大小而变化。云雾滴越大(不超过波长),衍射光波及的范围越小,形成的佛光光环越小;云雾滴越小,衍射光波及的范围越大,形成的佛光光环越大。

佛光中的影像,是人体因对直线传播光的吸收和反射而在云雾幕上形成的阴影。因此,人动影随,人静影止,人去环空。

7.6虚无缥缈的蜃景

蜃景,即海市蜃楼,是地球上物体反射的光线经过不同密度的空气层折射而形成的虚像。平静的海面、大江江面、湖面、雪原、沙漠或戈壁等地方,有时会在空中或地上出现高大楼台、城郭、树木等幻景。中国广东澳角、山东蓬莱、浙江普陀海面上常出现这种幻景。在中国古代传说中,认为蜃乃蛟龙之属,能吐气而成楼台城郭,又说海市是海上神仙的住所,它位在“虚无缥渺间”,因而得名海市蜃楼。

7.6.1蜃景的史书记载

《史记·封禅书》:“自威、宣、燕昭,使人入海求蓬莱、方丈、瀛洲。此三神山者,其传在渤海中,去人不远,患且至,则船风引而去。盖尝有至者,诸仙人及不死之药在焉,其物禽兽尽白,而黄金白银为宫阙。未至,望之如云;及到,三神山反居水下;临之,风辄引去,终莫能至。”

明朝陆容《菽园杂记》:“蜃气楼台之说,出天官书,其来远矣。或以蜃为大蛤,月令所谓雉入大海为蜃是也。或以为蛇所化。海中此物固多有之。然海滨之地,未尝见有楼台之状。惟登州海市,世传道之,疑以为蜃气所致。”

明袁可立为自己《观海市》诗所作的序中称,仲夏的五月二十一,他在巡抚公署办公楼推开窗户向北眺望,平日里一望无际的苍茫海面上,突然出现一座雄伟的城堡。再看那平日里的岛屿,都和原来的形状不一样。低矮的立了起来,高突的变得平坦,许许多多的宫殿楼台出现在其中。再仔细看,楼栋瓦檐,色彩鲜明,形形色色的都有。缥渺中能辨出形体的,“或如盖,如旗,如浮屠,如人偶语,春树万家,参差远迩,桥梁洲渚,断续联络,时分时合,乍现乍隐,真有画工之所不能穷其巧者”。所以,他赋长诗,记述这一奇妙事件:“蛟龙倒海吐蜃气,平常岛屿失故形。茫茫浩波称天海,雄奇高墙突其中。断垣立角如刀劈,霞光万道瑞气浓。楼阁飞檐栏灵霄,云烟翻腾荡心胸。峭壁倏忽推广阜,平峦耸耸秀奇峰。高高下下时翻起,瞬息万变分合中。千树成林映美玉,向阳山麓照花红。”

清刘献廷在《广阳杂记》记载:“莱阳董樵云:登州(渤海南岸的蓬莱)海市,不止幻楼台殿阁之形,一日见战舰百余,旌仗森然,且有金鼓声。顷之,脱入水。又云,崇祯三年,樵赴登州,知府肖鱼小试,适门吏报海市。盖其俗,遇海市必击鼓报官也。肖率诸童子往观,见北门外长山忽穴其中,如城门然。水自内出,顷之上沸,断山为二。自辰至午始复故。又云,涉海者云,尝从海中望岸上,亦有楼观人物,如岸上所见者。”

据沈括《梦溪笔谈》记载,“登州海中,时有云气,如宫室、台观、城堞、人物、车马、冠盖,历历可见,谓之海市”。

蒲松龄在《山市》中,描述了奂山的蜃景。“山市”(山市蜃楼),是淄川县八景中的一景,但经常多年也不出现一次。有一天,孙禹年公子跟朋友在楼上喝酒,“忽见山头有孤塔耸起,高插青冥,相顾惊疑”,因为这附近并没有寺庙。不久,又见“宫殿数十所,碧瓦飞甍”,才悟出原来是“山市”光临。接着,又出现了“高垣睥睨,连亘六七里,居然城郭矣”,且城中有楼阁,有厅堂,有街坊。

7.6.2蜃景的形成

根据蜃景出现的位置相对于原物的方位,可以分为上蜃、下蜃和侧蜃。

上蜃是地物反射的光从密度大的气层到密度小的气层发生折射和全反射,在空中形成的虚像。

光由光密(折射率大)媒质射到光疏(折射率小)媒质的界面时,将发生折射,折射角大于入射角,且随入射角的增大而增大。当入射角增大到某一数值时,折射角将达到90°,这时在光疏介质中将不出现折射光线,此时的入射角称临界角。因此,只要入射角大于等于临界角,将不存在折射现象,这就是全反射。蜃景就是光由空气密度大(折射率大)的气层到密度小(折射率小)的气层发生全反射而形成的幻景。

我们是通过物体的反射光来看到物体的。在大气密度比较均匀时,物体反射的太阳光沿直线转播,不至于让人产生幻觉。通常空气密度随高度递减,由于递减率较小,不足以使穿过其中的光发生明显折射。但是,一旦出现逆温层,逆温层顶部附近和下部空气密度差别进一步增大。空气密度垂直递减率的异常增大,将使地面物体反射的光由下层(折射率大)至上层(折射率小)时不断发生折射。由于下一层的折射角又同时是上一层的入射角,因此折射角不断增大,入射角也不断增大。当折射角(也是上一层空气的入射角)大于临界角时,入射的光将发生全反射。若这部分全反射光入射至人眼中,将产生蜃景。由于人的眼睛总感觉物体的反射光沿直线传播,也总是沿直线从入射光线来向看到物体的,此时入射到人眼中的全反射光,并不是沿直线射入人眼的物体反射光,而是被折射、全反射“扭曲”后的物体反射光,因此观测者沿全反射光来向看到的物体,并非货真价实的原物体,而是高悬空中形似原物体的虚像——蜃景。由于此类蜃景出现在地物之上,故称上蜃。

夏季傍晚沙漠地区易出现上蜃,是因为此时地面辐射降温快,近地面层空气随之迅速降温,而上层空气受地面降温影响不明显,易形成逆温层。此外,夏季白天,海水温度低,若有暖空气流经海面时,海面上空气上暖下冷,也容易形成较大的密度垂直梯度,有利于上蜃的形成。

出现下蜃时,大气的垂直密度分布与上蜃的相反,即上层密度大,下层密度小。由高大地物反射的太阳光由上层(光密媒质)至下层(光疏媒质)时,折射角大于入射角且折射角与入射角均逐渐增大,光的传播方向逐渐向上偏,若入射光线在地面附近发生全反射,并且这部分全反射光进入观测者眼中,将产生下现蜃景——高大地物在地面上“倒立”(倒像)。由于地物顶部反射的光比底部的穿越的气层厚,经折射和全反射后比底部反射的光向上偏离得多,因此观测者沿光来向看到的地物是顶部在地下面、底部在地面上,呈倒立状,宛若物体在水中的倒影。由于倒影位于实物的下面,所以又叫下现蜃景。

沙漠地面热得快、冷得急的特性,不仅有利于上蜃形成,也有利于下蜃形成。日出后,沙漠表面温度升高极快,贴近地面层气温随之急剧上升,空气密度迅速变小,上层空气因受地面增温影响不大,密度变化不大,于是形成反常的上层密度大、下层密度小的密度垂直分布。由空气分子散射的蓝光从空中至地面时,因发生全反射,使观测者可在沙漠中“看到蔚蓝的湖面”(蔚蓝天空的倒影)。由于被太阳晒热的沙漠表面的空气不断地向上运动和晃动,使空气折射率也在发生变化,故“蔚蓝的湖面”晃动不止,像波浪在起伏。这种情景在城市里也可看到。夏天烈日照耀在柏油路面上,坐在车内的人会发现前方被晒热的路面显得格外明亮光滑,似有一潭清水或被水淋过一样,实际上路面非常干燥。

由于形成下蜃的空气层结极不稳定,易产生强烈的乱流和对流,使上下层空气发生质量交换,进而破坏上大下小的密度垂直分布,因此倒像的寿命不长。

蜃景有两个特点:一是在同一地点重复出现,比如美国的阿拉斯加上空经常出现蜃景;二是出现的时间一致,比如中国蓬莱的蜃景大多出现在每年的5、6月份,俄罗斯齐姆连斯克附近蜃景往往是在春天出现,而美国阿拉斯加的蜃景一般是在6月20日以后的20天内出现。

7.6.3蜃景产生的故事

蜃景曾产生过许许多多令人啼笑皆非的故事。

1913年,美国一名探险队员称几天前发现了一座神秘高地。为了证实这一发现,探险队乘船驶过冰山海域,然后登上冰川,徒步前进,等探险队看到那个被称为新发现的大山时,景象竟慢慢消失得一干二净。高山化为乌有,留下的只是广阔无垠的冰山海洋。事后,探险队认识到,是海市蜃楼骗了他们。

在战争史上,也有蜃景的记录。1798年,拿破仑的军队在埃及沙漠中行进。突然,茫茫沙漠中出现迷乱的景象:一会儿出现一个大湖,顷刻间又消失了;一会儿又是一片棕榈树林,转眼间又变成荒草和枯叶。士兵们被弄糊涂了,以为世界末日来临,纷纷跪下祈求上帝来拯救自己。

第一次世界大战时,在一次沙漠会战中,一队英国炮兵正在向目标射击。突然间,指挥官发现被射击的目标是海市蜃楼,不得不下令停止炮击。

另一次,一位德国潜艇艇长在潜望镜中竟看到美国的纽约市,他以为自己指挥的潜艇跑错航线,进入了美国海域,于是赶紧下令撤退。其实,这位艇长也是受了蜃景的欺骗。

《登上希夏邦马峰》影片的一位摄影师,行走在一片广阔的干枯草原上时,也曾看见“一湖碧水”的蜃景。他朝蜃景的方向跑去,想汲水煮饭。等他跑到那里时,什么水源也没有,这才发现是上了蜃景的当。

大气中的光现象是指发生在大气中,并用肉眼所能直接感觉到的光现象。它可以分为三类。

一、光在大气中折射引起的光现象。当光线入射到低层大气时,由于光线发生折射,改变了径迹,因此在水平面以上天体和物体的实际高度角与测出的高度角有明显的差异,即所谓天文折射和地球折射现象。一旦大气密度出现异常分布,来自远处目标物的光线在另一高度发生全反射,此时除能看到实物本身外,还可以看到它的反射像,这就是人们通常称为的“海市蜃楼”。

二、由大气散射引起的光现象。天穹色彩的变化就是大气散射引起的光现象之一,比如清洁的大气使天穹呈现蓝色,朝、晚霞呈橙红色。

三、大气中粒子(如水滴、冰晶等)对光的折射、反射与衍射引起的光现象。最常见的有虹、华和晕等。虹是由于太阳光线在大气水滴里的折射与反射产生的围绕反日点的彩色圆弧;华是由于云中的水滴与冰晶分别起小孔与狭缝的作用,使光衍射引起的围绕太阳(或月亮)的许多彩色圆环;晕是由于太阳(或月亮)光在冰晶上折射与反射引起的一系列光学现象的总称。

大气光学的理论和光波传播的规律,在大气辐射学、环境科学、天气预报、天文、航空、遥感等许多方面,已得到广泛的应用。随着红外和激光技术的迅速发展,大气光学的研究也在迅速发展。

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