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[户外安全] [户外安全] 从光的现象说到户外气象

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发表于 2017-9-15 10:30:42 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 mrz 于 2017-9-15 14:03 编辑


最近看了关于彩霞的两帖子,一是猛哥的http://bbs.lvye.cn/thread-2590221-1-2.html,一是队长的http://bbs.lvye.cn/thread-2591775-1-1.html。好奇查了百度,发觉写的多有问题,我也凑个热闹,看是否能把这现象说清楚。以前也有过光(彩虹)的讨论,感兴趣的可以看此帖http://bbs.lvye.cn/thread-1277663-1-1.html
  
除了夜空的星星,咱们眼睛平常感受到的自然光基本都是太阳光被各种折射、反射或散射后的光线,直接看的基本不可能,除非您想眼睛被亮瞎(最近美国看全日蚀,事先专家就不断警告一定要使用特殊眼镜)。因此,想了解天空颜色,必须从散射现象说起。见下图。
  
light 2.png
光线由左往右照射时,散射情况。中、右两图都是Mie散射,右图是粒子较大时的情况。
  
光线碰撞微粒子时,根据光波的长短和粒子的大小,有不同的散射现象。粒子小于波长十分之一时,散射现象为Rayleigh散射。因为可见光波长为数百纳米(蓝光波长450纳米,红光650纳米),而空气中的氮、氧分子大小不足半纳米,小于光线波长千倍,所以属于Rayleigh散射。而Rayleigh散射的特点是对波长敏感,即空气分子对对不同波长的光线有不同的散射作用,比方说,蓝光散射比红光强,约4倍。太阳光通过大气层时,蓝光被散射的较多,所以咱看“远离”太阳部分的天空时,这些蓝光经散射后可以进入咱瞳孔,其他颜色光线咱看不见,因为它们跑别的方向去了。(如果所有光像红光一样不怎么散射,远离太阳的天空便会显得一片漆黑)。见下两图。
  
light 4.jpg
假设咱站在红黄绿光底下,眼球往上图左上方或右上方(远离太阳部分)的天空看时,因为角度关系,只有蓝光能进眼球,其他有色光进不来,所以天空看起来是蓝色的。往比较靠近太阳的地方看时,天空会是白色的。
  
light 3.png
  
当空气中夹杂的粒子直径大于光线波长时,会有另一种散射现象,Mie散射。此种散射不同于Rayleigh散射,并且,Mie散射对波长不敏感,即各种波长的光线得到一样的散射作用。水汽里的小水滴或其他悬浮粒子(例如藏在霾里特别危害健康的2.5微米污染悬浮粒子)基本大于半微米(500纳米),所以都会产生Mie散射。既然各种波长光线散射作用一样,咱们看见的就是被散射的所有各种颜色可见光加起来的白光。生活中常见的例子:屋里有人抽烟时和林子里有雾气时,咱看见的烟或雾散射的白光。多数情况云朵呈白色也是此理。
  
以上解释了蓝天白云,现在解释空气干净时的彩霞为何是橘红色的
  
太阳接近地平线时,通过大气层的距离远远大于太阳高挂的时候(见下图),光线碰撞空气分子的次数大量增加,散射作用更为明显。空气没有其他杂质,只有氮氧分子的时候,波长短的蓝、绿、黄大多被散射没了(Rayleigh散射对短波影响较大),进到咱眼珠子的基本都是散射剩下的橙光和红光(Rayleigh散射对长波影响较小),太阳看起来是橘红色的。因为散射,光线强度减弱,因此咱们能直视太阳。同样的橙红色光线,先照在云朵上,再被散射到咱眼珠里的也还是橙光、红光,所以云朵也呈橘红色。
  
light 5.jpg
  
知道以上物理后,咱分析下猛哥和队长的帖子,先说队长的。
  
高原和平地主要区别在高原空气稀薄,光线碰撞空气分子的次数减少,散射作用相对微弱,因此达到咱眼球的黄绿蓝光较多,所以红橙光较不明显,显得偏白。
  
至于朝霞(红色彩霞)不出门的说法(西方也有,圣经里也记载),一半的原因源于高气压系统产生的视觉现象。高气压系统里空气较稳定,悬浮物扩散不易。低气压系统里,空气不稳定,一般会有上升气流,形成云雨,空气里的悬浮物会较少。前面说过,早晨或黄昏时,干净空气的彩霞是橘红色的。但参杂高压系统的悬浮物后,橙光红光会进一步被减弱(Mie散射),橙光本来就比红光少(Rayleigh散射),最后到咱眼珠子里剩的只有红光,因此彩霞基本就是红色的。并且因为空气里的杂质较多,光线会显得比较灰暗,不如空气干净时鲜艳。仔细的人,会发觉鲜艳漂亮的橘红彩霞不是朝霞不出门所指的,只有高压系统下暗红彩霞才算。
  
另一半原因:地球上任何时刻都可以看到大气层里有不同的气压系统,轮流排列,高气压、低气压、高气压,等等。中国北方(上海以北)处于北纬30度和60度之间,这区间的盛行风由西往东刮,气压系统也是这个走向,等于好天(高气压)、坏天(低气压)列队由西往东走。因此山西的天气隔一段时间就成了北京的天气。把这道理和上一段的道理结合在一起,可知如果早上东望,朝霞呈不鲜艳的红,说明高气压在东,跟在它后头的低气压在西,很快就会有坏天气了。反之,傍晚西望,晚霞呈不鲜艳的红,说明高气压在西,将会带来好天气。仔细的人,会发现上海以南不见得适用,因为赤道北和北纬30度的区间盛行风是由东北往西南刮的。并且各地受地形地貌以及其他因素的影响,天气系统的走向只有当地人清楚,这句古话其实并不放诸四海而皆准。
  
现在气象信息获取十分容易,咱户外人最好还是行前花点时间,记录下天气预报吧。

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发表于 2017-9-15 12:15:35 | 显示全部楼层
一脸好奇的进来,一脸蒙蔽的出去

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哈哈  详情 回复 发表于 2017-9-15 21:26
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发表于 2017-9-15 13:11:21 | 显示全部楼层
学习了
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发表于 2017-9-15 13:43:34 | 显示全部楼层
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发表于 2017-9-15 18:39:46 来自手机客户端 | 显示全部楼层
高!
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发表于 2017-9-15 19:25:32 | 显示全部楼层
花木通幽 发表于 2017-9-15 12:15
一脸好奇的进来,一脸蒙蔽的出去

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发表于 2017-9-15 20:57:54 | 显示全部楼层
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发表于 2017-9-15 21:26:17 来自手机客户端 | 显示全部楼层
花木通幽 发表于 2017-9-15 12:15
一脸好奇的进来,一脸蒙蔽的出去

哈哈
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发表于 2017-9-18 17:02:35 | 显示全部楼层
解释的特别清楚,图画的也好!
真是特别棒的科普文!
厉害!
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发表于 2017-9-18 17:08:31 | 显示全部楼层
道理讲得明白。
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