大气中的两种重要光现象的成因

大气中的两种重要光现象的成因

一、“蜃景”的成因

“蜃景”是大气中的一种奇特的光现象，夏天在平静无风的海面上、在沙漠里、在炎热的柏油马路上等地方有时即能看到美丽迷人的“蜃景”；下面我们就来分析它的形成原因。

1．光在不均匀介质中的传播：在折射率连续减小的不均匀介质中光的传播不是沿直线而是沿曲线进行的，当光从介质的折射率较大的部分向折射率较小的部分传播且发生全反射时，光的传播将不以折线的形式而以图1的曲线进行。

2．“上现蜃楼”（即海市蜃楼）的形成原因：夏天的傍晚在平静无风的海面上，向远方望去有时能看到山峰、船舶、楼台、亭阁、集市、庙宇等出现在远方的空中，这就是“上现蜃楼”；因为夏天天气炎热，被暴晒了一天的空气温度很高而海水的温度变化相对较小，那么从海面向上的一定高度内，海面附近的空气温度较低密度较大，而越向上气温越高空气密度较小即较稀薄，故空气的折射率就形成下层大而上层小的连续变化；远处的山峰、船舶、楼台等发出的光线从（折射率较大）密度大的空气连续不断地传播到密度小的上层空气，由于不断被折射而使光线越来越偏离法线，故进入到上层空气的光线的入射角不断增大，以至发生全反射而形成沿图2示曲线传播的光路；当反射光线进入人的眼睛时，人们逆着光线看去就感觉到远方的山峰、船舶、楼台、树木等景物悬在空中，这就是“上现蜃楼”。如人们比较熟悉的山东省烟台市蓬莱县的“蓬莱仙岛”很大程度上是看到海峡对岸大连市的局部影像。

3．“下现蜃楼”（即沙漠蜃景）的形成原因：夏日的正午烈日当头，沙漠表面被晒得非常热使其温度很快上升，由于沙漠地表处温度很高故下层空气密度小而上层空气密度逐渐增大，那么从沙漠地面向上空气的折射率则从小到大连续变化，故从远处物体或蓝色天空斜射向地面的光线，进入折射率逐渐减小的热空气层被折射后，其折射角大于入射角且折射角与入射角均逐渐增大，使传播方向总要向上偏一些，而且入射光线可能在沙漠地面附近发生全反射；由于人眼不能看到光线的曲折而是按直线追溯射入眼中的光线射来的方向看到物体的，所以人看到这些光线好像是由他的前方射来的，于是人们就看到前方远处物体的倒影或者感觉到前方的沙漠中出现了一片蔚蓝发光的湖面（由于被太阳晒热的沙漠表面的空气不断地向

上流动、晃动，也由于空气在折射率的变化，故他还会感觉到这蔚蓝的湖面晃动不止而真像波浪起伏那样）；但由于上面所形成的是远处物体或蓝色天空的倒立虚像，在沙漠中实际是没有的；故人们看到前方的物体或水源但向前奔去却总是可望而不可即。如图3示这就是“下现蜃楼”形成光路。这种情况在城市里也可看到，夏天烈日照耀在柏油路面上，坐在车内的人会发现前方被晒热的路面显得格外明亮光滑，似有一潭清水或被水淋过一样，但实际上路面是非常干燥的。

二、虹、霓的形成

雨后初霁我们常常会看见天上出现美丽的七色彩虹，那么它是怎样形成的呢？因为夏天雨后天空中漂浮着很多的水汽和小水滴，当太阳光以一定角度穿过云层中及空气中的小水滴时，将产生比较复杂的反射与折射而造成的一种色散现象。

1．虹的形成：夏日傍晚雨后的天空中常常悬浮有大量的微小水珠，在傍晚差不多水平射向东方的太阳光射到这些微小的水珠内经过一次反射后，再从水珠内折射出来并斜向下方射到人们的眼睛里，光路如图4中示（一束平行的太阳光沿图中方向射入空中的一小水滴时，由于折射而进入到水滴中且同时发生色

散，然后经过一次全反射再从水滴射出，由于红光在水珠中的折射率最小使其出射光线与入射光线成，而紫光在水珠中的折射率最大使其出射光线与入射光线成，即得到图中单色光的分布情况）；人眼按

直线追溯射入眼中的光线射来的方向看到偏折较小的红光出现在“虹”的最外侧，而折射率最大的紫光出现在“虹”的内侧；而且太阳光经过水滴后主要发生一次全反射，故人们将“虹”又称为主虹。

2．霓的形成：图5示当一束太阳光射入一小水滴发生折射（色散）而在水滴内发生两次全反射时，其在水珠中的传播如图示，折射率小的红光的出射光线方向与入射方向成，折射率大的紫光的出射方向与入射方向成，人眼根据视觉的直线特性而将观察到射出水滴后的光线在空中形成外侧成紫

色而内侧成红色的彩色分布。由于太阳光经过水滴后发生两次全反射的情况较发生一次全反射的光束少很多，因而“霓”的亮度比“虹”的亮度暗得多，故又将其称作副虹，而且副虹位于主虹之上，副虹下面才是主虹。主虹中颜色的分布为外红内紫，副虹的颜色分布为外紫内红；人们通常观察到天空中的彩虹主要是主虹而副虹因为太暗一般不容易被人们观察到。

太阳光在水珠内经过三次、四次反射也可以形成彩带而被称为第三虹、第四虹等，但它们的色彩更暗淡，故一般很难看得到。