【大气光学】水滴光学现象一览
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之前我和几个大佬在KC上发了一些关于冰晶晕的文章,但其实天空中出现的异象远不止冰晶晕。在这篇文章里将介绍其中一类——水滴光学现象。
关键词
大气光学水滴光学光学气象水滴衍射折射散射宝光冰晶

之前我和几个大佬在KC上发了一些关于冰晶晕的文章,但其实天空中出现的异象远不止冰晶晕。在这篇文章里将介绍其中一类——水滴光学现象。水滴光学现象比冰晶晕难懂得多,但在复杂程度上逊色很多。由于本人水平有限,文中可能有出错或疏漏,敬请批评指正。

注意!有关虹,由于虹的种类繁多,篇幅所限暂时不讲,以后有机会再写。

那么我们开始吧~~~




Corona

注意这里的corona不是日冕,也不是新型冠状病毒里的corona!!


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图1 Corona的错误打开方式【滑稽】

华是一种出现频率相对较高的水滴光学现象。一般情况下它表现为围绕光源的中心为白色、边缘为橙红色的光环,但在品相较高的情况下表现为彩虹色的光环,有时还会出现多层。

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图2 本人在2018年7月4日于奥地利首都维也纳拍摄到的日华

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图3 本人在2018年7月7日于德国首都柏林拍摄到的日华

华是由光的衍射(diffraction)形成的。空气中的水滴、冰晶甚至是花粉、火山灰、马勃释放的孢子等都能形成不同形态的华,相关内容将在下文介绍。这里主要介绍水滴形成的华。

水滴的直径越小,华的半径越大;反之亦然。而云层中水滴的大小越均匀,所形成的华就越鲜艳。

众所周知,太阳光是由多种色光组成的,而光线发生衍射时,光的波长与偏向角成正比,波长越长,偏向角越大。紫色光波长最短,偏向角最小;红色光波长最长,偏向角最大,所以华光环的颜色呈内紫外红,各种颜色按照彩虹色的顺序依次排列。

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图4 各种色光的衍射,图片来源:百度百科

英国专家Les Cowley开发了一款软件可以模拟华、宝光和雾虹(fogbow),名为Iris。下载地址见此:http://www.atoptics.co.uk/droplets/dload.htm 

由于一些莫名其妙的原因,点击这个链接后会显示404。此时你可以发现地址栏的末尾多出了一个“。”!把这个句号删除,应该就可以正常进入该网站了。

另外值得一提的是,2017年3月12日,我国云南曲靖市会泽县出现了一次令人匪夷所思的巨型日华。它的直径大约为40-50°,远远超过正常日华的大小,与22°晕相当!

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图5 会泽县出现的巨型日华,拍摄者不详

大家可以对比一下本人拍摄的普通日华。图5中的日华在大小和色彩方面都足以让人咋舌。要形成这么大的日华,很容易想到空中的水滴直径得很小。但由于光的波长原因,形成华的水滴直径不能小于4.8微米,不然形成的华的颜色就会有缺失,与图片不符(使用Iris可以证明这一点)。但即使是4.8微米的水滴,也仍不足以形成如此巨大的日华。再加上这样微小的水滴几乎不能长时间存在,而目击者表示上图中的华持续时间长达数小时,这更是增加了它的神秘程度。至今,科学家仍然无法解释它。


虹彩云

Iridescent clouds

当云的一部分十分稀薄,并有着大小相似的水滴时,衍射可以使它像华一样发出彩色的光,这就是虹彩云。虹彩云的本质是华的碎片

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图6 虹彩云,来源见水印(啊啊啊我自己的水印去不掉只能这样了)

虹彩云常常出现在高积云、卷云,尤其是透镜状云上。当云正在形成的时候,虹彩云较容易出现,因为那时候所有的水滴都具有相似的大小。

有一种十分罕见的虹彩云叫做珠母云(nacreous clouds或mother-pearl clouds)。它们能发出非常明亮的光,出现在平流层。有时火箭的尾气也能形成虹彩云。


宝光

Glory

宝光,又被称为佛光,由于在德国的布罗肯山(Mt. Brocken)尤为多见,因此也被叫做“布罗肯幽灵”。

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图7 宝光,图片来源:百度百科

宝光出现在对日点,有一个明亮的中心,四周围绕着如华一般彩虹色的光环,像华一样,它也可以多层地出现。而且,你看到的宝光永远是由你自己或你所在的建筑物、交通工具等产生的;不同的人在同一时刻、同一地点看到的宝光不是同一个宝光。(有点难懂,但大概就是这个意思。)

简单的衍射理论不能解释宝光的形成。通常而言,红光进入水滴经过两次折射和一次反射后从水滴中射出的路径比要求的180°偏离了14.4°。想要解释宝光,需要考虑表面波(surface waves)

表面波效应可以使光在折射和反射时沿着水滴边缘传播一段距离。但它衰减非常快,所以只能使光沿着水滴边缘传播一丁点距离。但考虑到折射和反射带来的放大效应,足以消除那14.4°角。


草露宝光

Heiligenschein

草露宝光是一种出现在对日点的白色辉光。

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图8 草露宝光,Harald Edens摄

草露宝光顾名思义,是由植物叶尖的露水产生的。与宝光不同的是,它的形成并不依赖于衍射。

球形露珠起着透镜的作用,将太阳光带到粗糙的焦点上,大约是其直径的20%,超出其后表面。一些水滴停留在植物的小毛尖上,不接触叶表面。当水滴和这些小毛尖具有合适的尺寸时,阳光就会集中在叶子上的一个亮点上。从光斑发出的光向各个方向散射,但有些光通过水滴返回了。因此,露水在对日点明亮地发光,形成草露宝光。但如果草坪或田野足够大,检查离对日点约40°的距离,你有可能会看到露水虹(Dewbow)

另外,草露宝光很容易和干燥宝光(Opposition effect)弄混。干燥宝光是由矿物晶体、结构性土壤等的散射形成的,与水滴无关。


反射宝光

Reflection glory

反射宝光是一种罕见的水滴光学现象。

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图9 反射宝光,Marko Riikonen摄

通常的宝光出现在对日点周围,而反射宝光出现在反日点周围。

这种奇特的现象是由被湖面等向上反射的太阳光线被微小的水滴反射并衍射形成的。详情见上文“宝光”。


                                                                     注意!

从这里开始,之后的现象都不是由水滴形成的,但它们的形成与水滴光学现象有相通之处,所以放在一起介绍。


池藻宝光

Algal glory

池藻宝光是指由池塘中的藻类形成的宝光现象。

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图10 池藻宝光,Marko Riikonen摄

有两种藻类可以形成池藻宝光,它们是NautococcusChromophyton。这是因为它们的形态很像水滴,可以利用衍射和表面波效应形成宝光。

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图11 能够形成池藻宝光的藻类形态,Marko Riikonen摄

有时多种现象能共同出现在同一池塘,它们是:

  1. 宝光

  2. (映)华

  3. 雾虹(浮游植物膜中需含适量的氯)

  4. 奎特莱特环

沼泽地中经常会有合适的水池以形成池藻宝光。观察池藻宝光时要注意尽量避开树荫和风,并选择天气晴朗的日子。


Kruunu

冠是一种极罕见的光学现象。

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图12 全家福~其中“kruunu”即为冠,Marko Riikonen摄

只有藻类Chromophyton能够形成冠。它表现为围绕天底的弥散白色分叉(熟悉冰晶晕的朋友是否想到了Ounasvaara弧?)。

emmm这种光学现象实在是太少见了,找了很久也只有这点资料,人类对它了解不多


奎特莱特环

Quételet rings

你已经在“冠”一节中的那张图片中见过奎特莱特环长什么样了。那么它究竟是何方神圣?

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图13 通过积满灰尘的镜子看到的由金星和木星形成的奎特莱特环,图中也可见到华,Laurent Laveder摄

其他光源,如太阳、月亮、灯等,也能形成奎特莱特环。在积尘或潮湿的窗户和镜子上可以找到它们。有时候,表面漂浮着花粉和尘土的湖泊也能形成奎特莱特环。

仅当反射面上有小颗粒时才能看到奎特莱特环,因此,在天空中永远无法观察到它

当微米级的微粒或水滴停留在反射面或处于反射面附近时,就能产生彩色的奎特莱特环。

光会沿着两种路径来到人的眼球,如下图所示。

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图14 光会沿着两种路径来到人的眼球,Les Cowley制图

颗粒或水滴将入射光线散射成一系列出射球面波。两组波会产生重叠、合并。它们如果同相,则增强并显示出彩色;如果异相,则相互抵消。因此奎特莱特环看上去就像水面的涟漪。


花粉华

Pollen corona

花粉华是一种特殊的华。

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图15 月花粉华,P-M Hedén摄

上面已经提到,华是由衍射形成的,因此空气中造成衍射的小颗粒是否透明并不重要。

每年的特定时刻,开花植物会释放大量的花粉。同种花粉的尺寸通常十分相近,是形成花粉华的理想颗粒。但与水滴不同的是,花粉不是球形的,其中还有的长有气囊,使它们在空气中漂浮时,会有着特定的姿态。因此,花粉华呈拉长的椭圆形,有时还带有亮斑。

比起水滴而言,花粉的尺寸较大,因此花粉华的半径很小,十分靠近太阳,在观察时更需要注意遮挡太阳以保护眼睛。也可以在池塘反射的太阳周围或通过深色玻璃观察它们。


异常华

Anomalous corona

异常华指外观与形成原理与一般的华明显不同的“华”。

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图16 异常华,其表现为太阳周围的橙色辉光,Matias Takala摄

异常华通常是由大气污染物形成的。


毕旭甫光环

Bishop's ring

毕旭甫光环,有时翻译为“主教光环”,是一种与大气中的微粒有关的现象。

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图17 毕旭甫光环,Marko Riikonen摄

毕旭甫光环的中间呈苍白色,周围分别有一个浅蓝色和一个橙色的晕状光圈。毕旭甫光环的外缘通常与光源成25-30°角,但这种现象可能比这个大得多,也可能小得多。

要形成毕旭甫光环,大气中必须有大量小于微米的小颗粒。微粒可能位于大气最底层的对流层中,也可能位于其上方的平流层中。

森林火灾释放的烟雾可以形成短时间的位于对流层的毕旭甫光环。而平流层的毕旭甫光环主要与火山爆发和上文提到的珠母云有关。一般来说,珠母云形成的毕旭甫光环只在冬季出现。而在猛烈的火山喷发中,喷发云可以到达平流层,可能会产生持续时间很长的毕旭甫光环。上一次发生这种情况是在1991年皮纳图博火山爆发之后。喷发云在全球平流层中扩散。由于雨水主要位于对流层,无法及时净化平流层,因此喷发气体中的硫酸液滴在那里停留了很长一段时间。

可以通过凸面镜观察毕旭甫光环,具体的方法可以是通过光滑金属球表面的反光观察。它可以压缩画面,使弥散的毕旭甫光环在视野中凸显出来。


对日点衍射光柱

Subanthelic diffraction pillar

对日点衍射光柱由Marko Mikkilä最先发现。2012年1月9日,他在芬兰的西维(Sievi)利用卤素灯寻找冰晶晕,零下15摄氏度的空气中充满了钻石尘。

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图18 对日点衍射光柱,下方的黑色阴影是观察者照相机,Marko Mikkilä摄

此后,在Miko Aho、Ágnes Kiricsi和Marko Riikonen之前拍摄的发现图像中也发现了对日点衍射光柱。它出现在对日点,两侧有彩色的条纹。

对此,冰晶晕专家起初感到十分困惑。这不是任何已知的冰晶晕种类,甚至无法使用光线追踪软件进行模拟。当然,这不是绝对的证据,因为许多冰晶晕仍然在等待解释。

探究其形成的重要线索是它两侧淡淡的彩色条纹和它处于对日点的位置。这暗示了它可能是由衍射和散射形成的。在图片中,你可以看见照相机的阴影。这令人想起了宝光。

较小的非球形物体,如花粉粒、冰晶,会产生非圆形的衍射图样,但不会伸长成柱状,也不会与太阳相对。

但是,从当时同时出现的冰晶晕中还可以看出,它可能是六棱柱冰晶形成的。为了验证这种可能,法国专家Nicolas Lefaudeux介入并应用了时域有限差分法(Finite Difference Time Domain,FDTD)进行计算,这一技术用于计算复杂光子晶体的散射。

FDTD基于麦克斯韦方程(电磁学的基本方程)。使用时必须采用足够小的计算网格来描述光波,并且也必须包含巨大的散射冰晶。因此,计算量需求同样巨大!计算很自然地包含了折射、衍射、表面波等。使用该方法可以准确预测我们在宏观世界中看到的现象。

利用宽32微米、厚2.5微米的六棱柱冰晶可以模拟出这种现象。改进冰晶模型,特别是使用大而薄的冰晶,能进一步改善匹配度。

因此,几乎可以肯定,这一现象是由定向的六棱柱冰晶的反向散射效应形成的。它被临时命名为“对日点衍射光柱”。


内容部分涉及到以下网站:

· OPOD www.atoptics.co.uk

· Taivaanvahti www.taivaanvahti.fi

[修改于 10 天前 - 2020-03-26 15:34:54]

来自:地球科学 / 大气科学
 
5
2020-3-25 16:51:00
旅者工艺(作者)
1楼

在生日这天刚好写完了这篇文章~~~

请大佬们批评指教~~

sticker

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2
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2020-3-25 18:24:30
2楼

厉害厉害,很全面 sticker

另外大佬生日快乐

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3楼

emmm又来出馊主意了,用乳浊液产生的华/宝光现象研究其性质。

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4楼

终于!辛苦了~

(另外“冷冻盐酸颗粒”是什么

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5楼
引用Hannah发表于4楼的内容
终于!辛苦了~(另外“冷冻盐酸颗粒”是什么

我觉得那个地方不对,能把原文的表述贴出来看一眼吗?

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旅者工艺(作者)
6楼
引用Hannah发表于4楼的内容
终于!辛苦了~(另外“冷冻盐酸颗粒”是什么

???好像我搞错了

感谢捉虫

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旅者工艺(作者)
7楼
引用Hannah发表于4楼的内容
终于!辛苦了~(另外“冷冻盐酸颗粒”是什么

那句话应该是多余的,我在编排撰写的时候忘记替换了

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