Physics 版 (精华区)

发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Physics
标  题: 大气中的光现象(3)
发信站: 哈工大紫丁香 (Tue Aug  5 16:36:36 2003)

三、云雾中的光现象
       云雾中存在大量悬浮的水滴和冰晶，这些云雾滴的体积比较大，液体水对可
见光的折射率约为：1.33，（对红色光为1.3318，对紫色光为1.3435）冰晶对红色
光折射率为1．307，对紫色光折射率为1.317，都比空气折射率大很多，云雾滴又是
有一定谱分布的， 光线通过云雾时，不同大小的水滴对光的传播会产生不同的影响
，光线会在大水滴表面发生折射与反射现象，对于一定大小的小水滴会发生衍射现
象，对于与光波长接近的微小水滴，则会发生散射，从而，伴随着云雾降水的发展
，就形成了许多种光学现象。
1 ．虹
      降雨前后，当太阳高度比较低时，我们背对太阳，在雨幕背景的天空中，有
时可以看到一条彩色的圆弧形光带，其视半径为42°，色彩排列为内紫外红，这种
彩孤称为虹，有时在虹的外侧，还会出现一个与虹弧同心，视半径为52°，色彩较
淡，排列顺序为内红外紫的圆孤形光带，称为霓（副虹）。
      阳光是怎样通过水滴再到达观察者眼睛的呢？对于单色光来讲，光线达到水
滴表面时，将会发生折射而进入水滴内部，如果水滴是球形的，光线又会达到水滴
表面的另一面，并在水滴内表面上发生反射，反射后的光线从水滴另一处表面上再
发生折射，进入大气，光线经过两次折射，一次反射，改变了原来传播方向，达到
观察者眼中。 当光线入射角变化时，其偏向角将是不同的。一束平行光经过水滴以
后，因为每条光线进入水滴时的入射角不同，出射光线是发散的。入射角大或入射
角小都会形成较大的偏向角，只有对某一条入射光线，（某一入射角），偏向角达
到最小数值，称为最小偏向角，在这个方向上的出射光，能量比较集中，出射光比
较强，我们的眼睛只有在这个方向上才能看到明亮的色彩。虹就是具有最小偏向角
的光线在空间的分布。
      为什么我们看到的虹总是圆弧形的呢？因为太阳光是一束平行光，当光线射
到雨幕上时，雨幕上每一个水滴都会改变入射阳光的方向，然而作为某一个观测者
，他只能看到符合最小偏向角条件而射到眼中的光线。（如图9．8所示）所以我们
看到的虹总是圆弧形的。
      为什么虹的色彩分布是内紫外红的呢？因为水滴对不同颜色的光线有不同的
折射率，所以各种色光通过水滴的折射和反射后，它们的最小偏向角也就各不相同
，红光最小偏向角最小，形成的角半径最大，而紫光的最小偏向角最大，形成的角
半径最小，对某个观测者来说，天空中的某个水滴，只能将一种色光送入他的眼中
，其它色光则是从其它的水滴中送过来的。人眼看到的是通过雨幕中较高的水滴送
来的红光和较低水滴送来的紫光。所以我们看到的彩虹的色彩排列是内紫外红的，
虹的角半径从40°26'（紫光）到42°18'（红光），考虑到太阳的视直径为32'，虹
的宽度为2°14'，通常称42° 为主虹。 当光线在水滴内经过两次反射, 两次折射
后，形成霓。由于两次内反射，使光线的最小偏向角减小到128°左右，因此，霓的
视半径为52°，宽度为3°28', 色彩排列为内红外紫，与主虹相反。由于在水滴表
面，每经过一次反射，能量就会减弱一些，因此，霓的亮度比虹弱得多，以致在很
多情况下不易发现。
      虹的出现与天气变化密切相关，我国大部分地区处于中纬度，系统性降水天
气大多由西向东移动。虹的方位与太阳方位相反，如果早上在西方天空出现虹，表
明西方雨区正在东移, 天气将变坏，如果在傍晚看到东方出现虹，表明西方已经转
晴, 雨区已移过当地，天气将变好。因此，我国广泛流传着“东虹日头西虹雨”的
谚语。
2．晕
      当天空中有由冰晶组成的薄的卷云或卷层云时，在日、月周围会出现一些以
日月为中心的彩色光环和圆孤，称为晕，常见的晕是视半径为22”和46”的圆环，
色彩排列是内红外紫。
      晕是由于日月光通过云中冰晶折射或反射后再到达人的眼睛而形成的，由于
冰晶形状、分布，光线通过冰晶时的路径各不相同，晕的形状也就十分复杂，我们
仅以22°晕为例来讨论其形成过程。云中冰晶以六角柱状和六角片状为主，在六角
形一面上，每个内角为120°，此即相邻两侧面的夹角，相间两侧面的夹角为60°，
六角形面与侧面间夹角为90°。光线通过冰晶时发生的折射与光线通过棱镜时的折
射相同。
      当天空悬浮着的六角柱状冰晶呈直立形状慢慢下降时，太阳光经过顶角为90
°棱镜折射，最小偏向角在46°附近，从而形成46°晕环，其色彩排列与22°晕相
同，只是由于光线较弱，有时呈现暗淡的白色晕环。 实际上，大气中冰晶取向是随
机分布的，当日月光倾斜穿过云层时，总会在某些冰晶中发生上述折射现象，当天
空中冰晶数量很多时就可以出现以日月为中心的晕环，但由于冰晶在整个天空分布
不均匀，冰晶的某些取向很不稳定，造成晕环有时不完整，只能看到一些孤形光带
。日月光有时经过冰晶反射后进入人眼，也会形成白色的晕，由于冰晶取向多样，
折射反射过程复杂，就形成了多种多样晕的现象。
      晕出现在卷云和卷层云中，往往与锋面云系相联系，在冷暖锋前部，由于暖
湿空气沿锋面抬升，在高空形成卷层云，随着锋面推移，在锋面过镜前后就会出现
降水和大风。因此有“日晕三更雨，月晕午时风”的谚语。
3．华
      当云中分布着的大量微小水滴或冰晶其直径仅比光波长大几倍到十几倍时，
入射的日月光在云中会发生衍射现象，在日月周围可以看到小的彩色光环，这种现
象称为华。华环大小不等，视半径约为1～5°，最大可达10°，远小于晕，紧贴在
日月周围，色彩排列是内紫外红，与晕相反，有时也会出现几个明暗相间的同心光
环，色序与主华环相同，称为副华，但亮度和色彩很弱，出现机会也较少。根据物
理光学原理，当一束平行光通过一个半径与光波长同量级的小圆孔时，将发生夫朗
和费 部 衍射，在小孔后的屏幕上，将出现明暗相间的彩色光环。根据光学原理，
小圆屏的衍射图形与小孔衍射图形是相同的，因此，太阳光通过小水滴或小冰晶时
发生衍射的情形与夫朗和费小孔衍射基本相同。波长较长的红光角半径大，亮环外
侧为红色，也可知，华环的大小显示出云中水滴或冰晶的大小．云中 纹 越窄，半
径越小，越均匀，华环就越大，越明亮，若云中滴谱宽，华环会变得模糊。当华环
由小变大时，表明云滴半径在减小，天气将转晴。反之，当华环由大变小时，云滴
半径由小变大，可能形成降水，所以有“大华晴、小华雨”的谚语。
--
╔═══════════════════╗
║★★★★★友谊第一  比赛第二★★★★★║
╚═══════════════════╝

※ 来源:．哈工大紫丁香 bbs.hit.edu.cn [FROM: 202.118.229.162]