大气中的两种重要光现象的成因

陈家成

   自然生态的运行过程中离不开日照光，又因为大气中水分及各类分子的含量，在阳光的照射过程中出现多种奇特的自然景象。本文以雨后天晴中常出现的彩（霓）虹及沙漠中出现的海市蜃楼现象的形成原因加以阐述。

   产生彩（霓）虹和海市蜃楼现象的光源主要来自于太阳照射。在照射的过程中需要通过大气层中各类物质的折射，和地球表面的反射形成奇特的景致。本文结合物理的相关知识，对两种现象的形成原因进行阐述。

   一、雨后形成的彩（霓）虹现象

   在彩（霓）虹的形成，常见于雨后天晴的环境中，天空会出现一种半弧状的七色彩虹。而形成此类现象的的原因是，通常在夏天下过雨后，空气中会较为潮湿，大气中漂浮着大量的水汽和小水滴，当出现太阳光的照射时，光会透过云层和大气中的水滴时，会因为水滴发生复杂的反射和折射现象，反射的光束则会因为大气中存在的各类分子进行再次折射，从而形成一种光源的色散现象。在雨后阳光照射形成的现象分为两种，一种是常见的色彩较为明亮虹，一种则是的难以看到的，颜色较为暗淡的霓。

图1 虹形成的原理

   虹的形成：如图1所示，色彩较为明亮的部分属于虹，在夏季经过雨水清洗的大气较为干净，空气中也会漂浮大量的小水滴或者因为阳光照射而将地面的积水蒸发的水蒸汽，当阳光投入到地面的过程中，会经过这些微小的水珠，此时水珠会将射入的阳光进行一次反射后，再从水珠内折射出来并按照斜向直线转射到人的眼睛中，空气中的水珠对阳光进行折射的同时还将光束进行了色散的反应，然后经过再次的全反射从水珠中发射出，在光束中，红光在水珠中的折射率是最小的，从而让红光的射入线和射出线形成了约41.5°的角；紫光的射入和射出折线约为40.5°，就能形成如图2所示的单色光。

图2 单色光的形成

   因为人眼是按照射入严重的光线的折射率大小分辨的，所以看到的虹主要的色彩是红色和紫色，红色位于虹的外侧，紫色位于虹的内侧，所以虹也被称为主虹。

   霓的形成：霓的形成原理和虹的形成原理相同，都是由于阳光射入空气中的水珠后发生色散和折射后进入人眼睛内部。但在发生全反射的过程中，红光的折射出的光线方向和入射的方向所形成的角度略大，约为50.67°，而紫光的折射角度为53.6°，如图3所示。因为在此过程中太阳光会经过两次反射，所形成的霓的亮度比虹的亮度暗，是位于主虹之上的副虹部分，霓的色彩分布与主虹相反，霓的外侧是紫色，内侧是红色，一般不会被肉眼看到。而太阳光在经过三次及以上的发射后还会形成第三道、第四道虹，颜色会随着反射的次数的增加而变暗。

图3 霓的生成角度，需要经过两次反射

   二、沙漠中出现的“海市蜃楼”

   “海市蜃楼”的现象通常发生在较为空旷、高温状态下，如沙漠、荒野、海面等地，甚至在夏季炎热的高速路上也会形成这种“蜃景”。“海市蜃楼”现象的发生需要多种特殊的环境同时构成，才能出现这种奇特的光现象。按照科学的划分，“海市蜃楼”只是“蜃景”的一部分，通常是出现在海面上（有水的地方），而沙漠干旱地区出现的“蜃景”则被成为“下现蜃楼”或者“沙漠蜃景”。两种“蜃景”出现的原因都与太阳光在不均匀的大气介质中的传播有关，当大气中的不均与介质（沙砾、海盐）增加时，因这类介质对光的折射率会随着介质含量的增加而连续减小，太阳光在含有大量介质的空气中的传播路线不是按照直线射入，而是沿着曲线进行的，所以当太阳光从大气中的折射率比较大的部分射向折射率偏小的部分时，在经过空气中的水珠或其余的物质进行反射后传播时，太阳光的传播将不会以折射线的形式，而是以曲线的形式进行。如图4所示：

图4 形成“蜃景”的成因

沙漠蜃景形成的原因：在沙漠中行走的人们时常会看到突然出现的“绿洲”、“城堡”“湖泊”等，但走到之后发现什么都没有。这是因为在沙漠中，气温较高，特别是正午时分，沙漠表面的沙粒被太阳晒的非常热，头顶是阳光照射，脚下是无法吸热的沙粒，让整个沙漠形成一种高温的真空状态，所以下层的空气密度较小，而上层的空气密度却逐渐增大，所以从沙漠地上到大气层的折射率是由小变大的，所以当太阳光将远处的物体或者蓝色的填空斜向的射向地面时，进入折射率逐渐减小的热空气层被折射后，其折射的角度会大于入射的角度，且两个光束之间的角度也会增大，使得传播的方向向上偏离，投入地面的光线会在沙漠地面发生全反射，由于人的眼睛特殊的构造，所以会看到这些光线射入的方向的是来自前方，从而出现“蜃景”现象，如图5所示。

图5 沙漠蜃景

“海市蜃楼”现象的发生：在夏季时段，天气较为炎热，被太阳暴晒后的空气温度很高，但是海水因为因为海岸线及水中所含各类物质的原因，温度的变化不高，所以在两种不同状态下，海面上的空气密度较大，而随着气温的升高，空气的氧气含量减少，空气也会越加稀薄，故而空气的折射率就变成了下大上小，远处的船舶、楼宇等发出的光线进过密度大的区域传播到密度小的区域，使得被折射的光线会不断的偏离法线，增大入射角和反射角，形成“海市蜃楼”，如图6所示。

图6 海面蜃景

   三、结束语：

   太阳光是地球上一切生物生存的重要来源，自然的物理现象也是层出不穷，掌握科学的物理知识，就可客观、理智的评判这些神奇的现象。

（作者单位：长沙市长郡中学）