大自然的光学魔术

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在撒哈拉沙漠最荒凉的死寂之处,有一个直径48千米的“沙漠之眼”,它拥有翡翠般碧绿的颜色,如同一只目光深邃的巨眼正凝视着天空……神奇的大自然就像一位魔术师,用多彩的光变着一个个光学魔术,为我们展现缤纷的世界。
  蓝天·白云·夕阳光的散射
  湛蓝的天空,飘浮着的朵朵白云,这样的天气总是给我们带来好心情。天空为何会呈现蓝色,云朵又为何是白色呢?其实是大自然利用了光的散射原理完成了这些颜色的变化。
  太阳光是广谱的,包含红外光、可见光、紫外光。可见光又分成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等不同颜色的光,它们的波长依次减小,以 580纳米的黄光为中心波长。这些不同颜色的光线合在一起,就在我们的眼中产生了白色的视觉,所以太阳光的本色是白色。
  大气中的尘埃、大气分子等线度比光波长小的微粒对穿过它的光线产生散射,这种散射的特点是光的波长越短,散射作用越大,因此偏蓝的光散射强,偏红的光散射弱。这就是天空呈现蓝色的原因。
  天空中的白云是大气中的水滴组成的,这些水滴的线度比可见光的波长更大。当各种波长的光波穿过水滴时,有几乎相同强度的散射,因此人眼看上去感觉云朵是白色的。
  清晨或傍晚,太阳看上去好似一个红色的火球,是因为此时太阳光几乎平行于地平面,穿过的大气层最厚,散射效应最显著。日光中的短波部分几乎都侧向散射,仅剩下波长较长的红光部分到达地面,所以可以见到火红的朝阳和夕阳。如果没有大气的散射,那我们在白天看到的天空将和晚上一样,满天星斗在黑色的背景上闪烁,唯一不同的是有一个十分明亮的太阳在黑色的背景上发出耀眼的光芒。在月球上观察到的情况就是这样的。
  捉弄人的海市蜃楼光的折射
  你一定听过这样的故事:探险队迷失在一片沙漠中。突然,前方出现一片水源,水中荡漾着沙丘的倒影。队员们欣喜若狂,犹如抓住救命稻草般奔过去一看,却什么都没有。这其实是大自然变的“海市蜃楼”的魔术。沙漠里温度高,越接近沙漠表面,空气温度越高,密度越小,折射率越低,形成了折射率成梯度变化的空气层。从远处沙丘射向地面的光线,进入折射率小的热空气层时被折射,入射角逐渐增大,行进路线逐渐弯曲,最后入射角增大到临界角时会发生全反射,相当于镜面反射效果。人们逆着反射光线看去,就会看到远处沙丘的倒影,仿佛从水面反射出来。而近处的沙丘射向地面的光线入射角小,最后无法满足全反射条件而被沙漠所吸收,也就看不到沙丘的倒影,因此原本有水的假象在靠近后就消失了。探险者们就这样被大自然愚弄了。
  彩虹·霓·佛光光的折射与反射
  “赤橙黄绿青蓝紫,谁持彩练当空舞?”这是毛主席对彩虹的夸赞。阵雨转晴,天空中水汽未消,此时你往太阳相反的方向看过去,大自然仿佛给天空戴上了一个彩色的发卡,这就是彩虹。彩虹是由于太阳光线在大气水滴表面的折射与反射产生的。光线照射到水滴后,在水滴表面会发生折射,各种颜色的光发生色散偏离,其中紫色光的偏离程度最大,红色光的偏离最小,其他各色光则介乎于两者之间。折射光线再经过一次反射、一次折射到我们的眼里,我们就看到了七彩彩虹。若光线在雨点内产生二次内反射后再通过折射进入我们眼帘时,颜色次序就与彩虹正好相反,称为霓或副虹。
  出现在山间云雾中的佛光也是由于阳光在云雾中的水滴内折射和反射形成的。人们以为自己与佛有缘因而看到了佛光,没想到这只是大自然施展的小戏法而已。
  月华·日晕光的衍射与折射
  有时在夜晚赏月,漆黑夜空中明月仿佛穿上了五彩霓裳,非常美丽,这就是月华。由于云中分布着大量的微小水滴或冰晶,当其直径仅比光波波长大几倍到十几倍时,入射的日、月光在云中会发生衍射。衍射是波在遇到和波长尺度差别不大的障碍物后,偏离直线传播的物理现象。不同波长的光由于衍射而分离,因而在日、月周围可看到小的彩色光环。光圈内环呈青蓝色(紫色不太显著),其外主要呈黄色,最外呈红色,并且水滴愈小,衍射愈强,华环愈大。由于日光太亮,一般不易观察到日华,月华比较常见。
  若天空中有卷层云,阳光或月光透过云中的冰晶时发生折射,便会在太阳或月亮周围产生彩色光环,这种七色彩环称为日晕或月晕,统称为晕。由于天空中存在大量卷层云,晕的出现预示着可能要刮风下雨。古人已经注意到这样的联系,“日晕三更雨,月晕午时风”就是说的这个道理。
  瑰丽极光·璀璨流星大气分子的撞击
  极光以其瑰丽的色彩和流动的形态给人带来无穷的幻想,是大自然带给我们的另一个魔术。博闻多识的亚里士多德称之为“天上的裂隙”,北欧神话认为那是女武神们驰骋天际时,铠甲反射的光芒,在中国传说中则是烛照极地、临驭风雪的北国烛龙……这个魔术的原理直到1896年才被挪威的物理学家伯克兰揭示出来:太阳发射的高能带电粒子流被地球磁场捕获,在地磁场的作用下沿着地球的磁力线做螺旋运动,并逐渐到达两极地区,与那里的大气分子碰撞,激发大气分子发光,就形成了极光。极光的色彩来源于不同分子的激发,一般氧气分子发出绿色和红色的光,氮气分子则发出紫、蓝和一些深红色的光。太阳的活动以11年为周期,因此极光的发生是很罕见的。不过我们不必期待这样罕见的爆发,有另外一种途径可以领略这些天外的色彩,那就是流星。
  在许多照片中,流星都拖着黯淡的绿色尾迹出现在半空,瞬间又变成红色,然后发出耀眼的黄白色光芒,再像燃尽的火柴一般消失在茫茫的夜色中……你可曾想过,这样漂亮景象的产生,其实源于宇宙中抛过来的一块石头。这些流星体大多是宇宙中的尘粒和陨石,在接近地球时受到地球的引力而进入地球大气层。由于与大气摩擦产生了大量的热量,岩石开始熔化,其中所含的铁、钠、镁等金属元素剧烈燃烧,发出耀眼的强光。连续变化的颜色来自于不同的元素,让一块石头在夜空的背景下显得格外绚丽。
  斑斓的动物世界孔雀羽毛
  大自然表演的光学魔术不止前面所提的那些奇幻美丽的现象,动物们也成功地运用了光的魔术,纷纷披上五彩的外衣。孔雀开屏时,鲜艳的羽毛不禁让人感叹这个物种的美丽与高贵。如果你认为孔雀羽毛上的色彩和一般纺织品、印刷品上的色彩是一样的,那就大错特错了。我们平时看到的不同物体呈现不同的颜色,其原理大多都是“颜料生色”,是靠介质表面的反射被动发光,所呈现的颜色是光源的色环中某些相应的颜色被颜料吸收后所剩余部分形成的,即减色法原理。而孔雀羽毛呈现缤纷的色彩源于“结构生色”。孔雀羽毛的羽小枝内排列着一层层蛋白纤维,这种极细的蛋白纤维直径大小为150~160纳米,这些纤维按照一定的周期性规律排列。正是这种纳米级的微观物理结构,当受到光束照射时,会对光波形成良好的干涉和叠加,在不同的方向上反射出不同的颜色的光,不同的结构也会使得反射光的颜色不一,这就使得本来无色的羽毛在光照下呈现出斑斓多姿的色彩。
  这些美丽的光影出自大自然的魔术之手,是大自然赠与我们的一份无比珍贵的礼物,它让我们的世界奇幻美丽、缤纷多彩。
  (责任编辑/李平)
大自然的光学魔术
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