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彩虹,霓虹与太阳光谱
[ 录入者:admin | 时间:2016-05-26 15:03:36 | 作者: | 来源: | 浏览:555次 ]
     文章来源:北京大学空间物理与应用技术研究所网站(http://www.space.pku.edu.cn )

     供稿人:

      张婧雯 (北京大学空间物理所2016级研究生)

      陈煜 (中央大学太空研究所2016级研究生,现在北京大学交流学习)

 

      “哪里有彩虹告诉我,能不能把我的愿望还给我……” ——周杰伦《彩虹》

      不知道朋友们前天的朋友圈有没有被彩虹刷屏呢?小编可是被这七彩的颜色攻击了好一阵子,相信眼尖的你一定从这些照片中看到了两道拱桥,而不是常看到的一道,那好奇的你会不会想问,究竟彩虹是怎么产生的呢?而这个产生机制是否在科学上对我们了解大自然有所帮助呢?下面让我们一探究竟吧!

 


张婉青 摄,转自北京大学官网:http://www.pku.edu.cn

 


刘培恩 摄,转自北晚新视觉网:http://www.takefoto.cn/viewnews-784137.html

 

1.   光的色散

      要想明白彩虹的形成机制,首先得清楚光的色散现象。相信大家在中学课本里都学过,可见光,也就是我们常说的白光,经过三菱镜折射后会在白板上呈现红橙黄绿青蓝紫七种颜色,这就是光谱,这个过程称为光的色散。其实,白光由红橙黄绿青蓝紫七色光复合而成的说法并不准确,因为可见光是波长处于390nm760nm范围内的电磁波,只是我们的肉眼只能大致区分出七种颜色。当白光从一种介质入射进另一介质时,不同频率的光波的折射角不同,从而产生空间位置上的分开。也就是说,雨后空气中存在大量水滴,阳光照射到上面发生折射和反射就产生了七彩的彩虹啦。很简单吧,但是为什么这次我们见到的彩虹有两道而且都是弧形的呢?

2.   第一道——“的形成

      照片中位于下面一点的比较明显的弧形叫做,上面的稍暗的叫做,它们都是水滴折射和反射阳光的结果,只不过过程略有不同。为了简化,首先我们想象有一个圆形的水滴。如图1(),当光线从A点入射后,发生折射进入水滴,在B点发生反射之后在C点折射出水滴,当然在这三点折射和反射现象都会发生,这里只画出与彩虹形成有关的部分。由于太阳和地球的距离远大于地球半径,我们可以假设入射阳光为平行光,那么图1() 里光线123的入射角逐渐减小。与光线2相比,光线1在入射点的入射角更大,所以反射回空气的能量较多,进入水滴的能量较少;同样地,与光线2相比,光线3的入射角小所以反射进水底的能量更多,但是在水滴内反射时它的入射角较小,因此从图1()水滴右侧折射出水滴的能量较多,从而留在水滴内的能量较少。因此,虽然入射光为平行光,但它们最开始的入射角不同,最后从出射点折射出的能量也不同。理论证明,最后折射出的能量较多的光线与最初入射光线的夹角约为41度,这个方向叫闪耀方向。并且,由于不同频率的光在水滴中的折射率不同,这个角度略有差异,从紫光到红光介于40-42度之间,如图1()。当我们望向水汽团所在方向的天空时,沿着闪耀方向折射出的光线对眼部刺激最明显,最容易被辨认。

 


1: 虹的成因。选自苏明义,关于虹和霓的成因分析,《物理教师》,35(4)532014

 

      接下来,让我们来回想一下看见彩虹时太阳(光源)、彩虹和我们自己的位置是什么样的呢?大家有没有发现在面对彩虹的时候太阳总是在我们的身后?那是当然的啦。图2是笛卡尔在他研究彩虹成因的书《Discours de la Methode》中给出的示意图,他将水汽团等效地想象成一个大的水球, AB为入射光线,DE为折射出水球的光线,直线EM与入射光线平行且经过观测者所在位置。因为沿着闪耀方向折射出的光能量最大,最容易被人眼辨认,所以当DEM角约为40度时紫光最明显,当DEM角约为42时红光最明显,其它颜色光线介于两者之间。类推到三维情况下,可以想象一个以直线EM为轴,DE为母线,且两者之间夹角介于40-42度的圆锥体,圆锥的底边在地面以上的部分就是弧形的彩虹,夹角越大位置越高所以是外红内紫。有趣的是,如果观察者在空中而非地面,这个弧形就可能完整,成为一个圆圈。所以,如果你够幸运的话,坐飞机时是可能看到圆形的彩虹的哦(如图3)。

 


2 彩虹成因示意图,摘自笛卡尔《Discours De La Methode(1637)

 


3:澳大利亚州佩斯市上空圆形彩虹 拍摄者摄影师科林·莱昂哈特

 

3.  第二道——”的形成

      第二道彩虹(霓,或称副虹)的形成原理与第一道类似,只不过它在水滴中的路径多了一次反射(如图4左)。理论证明,在这种情况下最后折射出水滴的光线与入射光线夹角约为52度时能量最大,从红光到紫光角度介于50-53度之间(如图4右)。闪耀方向的角度大于,所以它位于比虹更高的位置,大约高10度。又因为它多经过一次折射,能量比损失的更多,显得更不明显,且紫光角度更大,呈现为外紫内红。

 


4: 霓的成因。选自苏明义,关于虹和霓的成因分析,《物理教师》,35(4)532014

 

4.  太阳光谱的科学应用

      讲了这么多关于彩虹的故事,大家有没有发现太阳光谱挺美的?其实太阳光谱一直以来都是我们研究太阳的重要工具,不止是可见光,各个波段的太阳光谱都已被太阳物理学者用来研究太阳上发生的各种物理过程。北大空间物理所在太阳光谱的研究方面也做了大量的工作。

      探测光谱的仪器称为光谱仪。光谱仪的核心元件是能够将一束光的能量分散到各个波长处的器件。对于彩虹来讲,这个分光的器件就是水滴,不同波长的光折射角不同是色散的原因。而对于专业观测太阳光谱的光谱仪来说,这个分光器件经常是衍射光栅。根据光栅方程,不同波长的光达到极大所对应的衍射角不一样,因此导致不同波长的光达到极大时所处的位置不一样。这样就把光按波长(频率)的不同而分开了。

      在实际太阳观测中,一台光谱仪通常只观测某一个波长范围的光谱。比如云南天文台的抚仙湖太阳观测站便有一台工作在可见光波段的光谱仪,它所获取的光谱数据对于我们研究太阳低层大气中发生的物理过程非常有用。国际上,近年来紫外光谱的探测和研究取得了极大的进展,包括SOHOHINODESDOIRIS等卫星上都搭载了紫外光谱仪,它们所获取的太阳光谱为我们理解太阳大气加热、太阳风起源和太阳爆发过程起到了非常重要的作用。

 


5: 抚仙湖观测站(http://fso.ynao.ac.cn/cn)的新真空太阳望远镜获取的太阳可见光谱。

 


6: 美国IRIS卫星(http://iris.lmsal.com)获取的太阳紫外光谱。

 

 

 
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