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自然奇观——为什么大气折射会导致太阳的形状扭曲?

已有 969 次阅读 2023-10-6 14:59 |系统分类:科普集锦

  当太阳缓缓升起或在地平线上消失时,你可能曾经留意到它的形状似乎有点怪异。有时候,太阳看起来比平常扁平,有时甚至呈现出椭圆形,而不是完美的圆盘。这一奇特的视觉现象并不是太阳本身在变形,而是由大气折射引起的。现在,让我们一起深入了解为什么大气折射会扭曲太阳的形状。

图1. 台湾桃园的李美英拍下了这张照片,并写道:“2023年1月30日日落时,我在海拔3000米的合环山上拍摄了模拟的海市蜃楼日落和绿色闪光。在高山上多个逆温层形成的模拟海市蜃楼日落中,太阳有着各种奇妙的变化。当太阳的顶部落入逆温层时,它会产生非常明显的绿色闪光。

什么是大气折射?

首先,让我们来了解一下大气折射的基本原理。折射是一种光线弯曲的现象,当光线穿越不同密度的介质时发生。这种弯曲是由于光速在不同介质中的传播速度不同。当光线从一个介质进入另一个介质时,它的方向会改变。这是由斯内尔定律所规定的。

现在,让我们把目光投向我们周围的大气。地球的大气并不是均匀的,它被划分为不同的层次,每个层次都有不同的密度和温度。从地球表面向上看,密度和温度逐渐减小。当太阳在地平线附近时,它的光线必须穿过大气中较厚的部分,这些部分具有较高的密度。这就是大气折射效应开始变得明显的地方。太阳的光线在穿越这些不同密度的大气层次时会发生折射。

太阳形状扭曲的原因?

      那么,为什么大气折射会导致太阳的形状扭曲呢?这是因为折射的程度取决于光线穿越的介质密度的变化。在地平线附近,光线需要穿越大气的较厚层次,而这些层次中的密度变化较大。因此,折射效应在这个时候变得更加显著。太阳的光线在穿越这些不同密度的大气层次时会发生弯曲,使太阳的位置看起来比实际位置更高。这就是为什么我们看到太阳有时候呈现出椭圆形或扁平的外观的原因。在日出和日落时,太阳最接近地平线,大气折射效应达到巅峰。这时,太阳的形状扭曲得最明显,呈现出奇特的视觉效果。太阳的光线被大气中的不均匀层次折射,造成太阳的视觉外观有时像被轻轻挤压一样。

     尽管大气折射可能导致太阳的形状扭曲,但它也为我们带来了美丽的视觉效果。这种形状扭曲增添了日出和日落时自然景色的魅力,使我们能够欣赏到不同寻常的太阳外观。此外,折射效应还对导航和天文学有一定影响。在导航中,太阳或其他天体的视觉位置可能会受到折射效应的影响,这需要考虑。总而言之,大气折射是一种有趣的光学现象,它扭曲了地平线上太阳的形状。这个现象提醒我们,即使在我们的日常生活中,自然界也充满了奇妙和美丽的视觉效果,等待我们去发现和欣赏。所以,下次当你看到太阳在地平线上变形时,你会知道这是大气折射在发挥它的魔力!

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图1. 2017年9月,加州圣巴巴拉,朝UCSB校园日落时观察到的大气折射效应。(日期2017年9月11日,19:11:09;作者:Niranjan Arminius)

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       图2.  阿塔卡马沙漠月落时观察到的大气折射效应 (拍摄者:ESO Photo Ambassador Peter Horálek)

     干燥的阿塔卡马沙漠似乎是一个奇怪的地方,但在这张由欧洲南方天文台摄影大使Horálek拍摄的有趣的照片中,它似乎就是这样做的!最初,新月高高在上,在智利晴朗的天空中缓慢下降,然后在地平线上击中大气层最厚的部分。Horálek说,正是在这里开始了一场“罕见的戏剧”。当它的光穿过不同的空气密度层时,由于不同的压力、温度和温度,月球的薄条被光学扭曲成一个“奇怪的蛇形”)(https://www.eso.org/public/images/potw1648a/)

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图3. 显示太阳在日出和日落时图像位移的图表




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1 尤明庆

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