大氣的光象與幻象

1. 大氣的光象與幻象

2. 光線在大氣中 反射（Reflection） 反射時反射角和入射角相等的。

3. 折射（Refraction） 由於光線在密度較大的介質中傳播速度較慢，在密度較小的介質中速度較快，所以當光線由密度較小的介質射入密度較大的介質時，就會如圖那樣產生方向上的偏折，稱為折射。

4. 散射（Scattering） 當光線射到微小的粒子時，光會由粒子向四面八方漫射出來，稱為散射。光的散射和粒子的大小有關，請繼續看下頁。

5. 散射和光的波長及粒子的大小有關：同樣的波長的光，粒子小的時候，粒子會選擇性的散射某個光譜的光（瑞立散射--Rayleigh Scattering），例如空氣分子的大小（0.001微米）對可見光主要散射紫、藍色系的光譜，而灰塵（0.1微米）對可見光則主要散射紅、黃色系的光譜。粒子大的時候，粒子會均勻的散射各種光譜，也就是白色（米式散射--Mie Scattering）。

6. 吸收（Absorption）

7. 太陽的輻射很接近絕對溫度是六千度的黑體輻射，所以輻射強度最強的光譜是在可見光的範圍，也就是在0.4 微米到0.7 微米的範圍。又由於在這個光譜範圍內強度差不多相同，合成的結果在我們肉眼的感覺裡就是白色的，但其實它是由許多種顏色所組成的，基本的顏色由短波到長波的順序有紫色、藍色、綠色、黃色、橙色、紅色如下圖，欲知可見光部分的詳細色譜可按一下這裡。

9. 由於光的傳播速率（光速）在密度較大的介質中比較慢，且波長越長，被減速得越輕微，波長越短，被減速得越嚴重，故當光是傾斜的射入一介質介面時，除了產生折射以外，也產生色散。三稜鏡是最常被用來展示這個物理現象的東西。上圖是一個動畫的展示，白色光照射在三稜鏡上，經兩次折射後，色散的效果變得更明顯，白色光的組成顏色就明顯的顯現出來。由圖中可以看出來紅色在最外面，紫色在最裡面，這是因為紅色光波長較長，折射較不嚴重，而紫色光則相反的緣故。（取材自伊立諾大學網頁教材，並經過動畫處理） 　　同理，如果我們讓各種波長（顏色）的光反其道由左邊射入三稜鏡，則由右邊出去當然就是白色的光。所以當各種顏色的光的強度都一樣時，其合成為白色的。

10. 為什麼白晝天是藍的 光在傳播中如果遭遇微小的粒子，就會產生散射。粒子越小，散射的光譜越在短波的範圍。空氣中充滿了氧和氮的分子，它們的大小甚至於比短波的波長還短，散射出來的光都在紫、藍、綠的範圍。在白晝時，陽光經過比較薄的大氣層，散射的結果就呈現到處都是藍色的情景，而且因為大氣中到處都散射出藍色的光譜，所以我們無法依照肉眼的感覺判斷天有多高。

11. 為什麼黃昏天是紅的 但在黃昏或日出時分，因為陽光必須穿過比較厚的大氣層，藍色的色素已經在前面被散射殆盡了，只剩下紅、橙、黃等比較偏紅的顏色，所以天色看起來是橘紅色的。

12. 不過並不是所有地方看到的夕陽都像藝術照片那樣的飽滿色彩，只有當大氣中有比分子稍大的粒子（例如鹽粒、小小水滴、灰塵、煙灰、細火山灰，越大的粒子越能散射紅光；但如果大太多散射就中止，而變成反射了，更大的粒子則造成吸收）時，光譜才會比較在紅色的範圍。所以許多絢爛的夕陽景色都是在海邊拍攝的，因為那裡充滿了比較會散射紅光的鹽粒。下面兩張照片是完全在同一個地方拍照的，左圖是平常的黃昏天色，右圖是在遠方有火山爆發後拍攝的。右圖才有美麗的暮色，是明顯可見的。（取材自Weatherwise , 1997）

13. 這也是在空氣中充滿了火山灰時的黃昏情景。（取材自"Meteorology Today", Ahren, 1994）

14. 這張照片拍的時候，在西方在一個甘蔗園正在燃燒，燒出來的煙灰在低層明顯可見（比較紅的地方，左邊箭頭指的那個平面）。（取材自"International Cloud Atlas", WMO, 1987）

15. 燦爛的晚霞最常在有對流系統出現在西方的時候（在對流系統出現在東方時，朝陽也是一樣的絢爛），這是因為在對流系統及其週邊都帶有充沛的水滴，水滴可以有效的散射紅色光的緣故。下面的照片是颱風在台灣西南方海面時，在中央大學科學二館屋頂上拍攝的（洪秀雄拍攝）。在中、高緯度地區，氣象系統都由西方向東方移動，所以當晚霞出現這樣絢爛的情景時，即預示天氣將變壞了。但在台灣氣象系統由東西南北過來都有可能，這個法則常常是行不通的

16. 所以在有霧又有煙的時候，大氣並不是白茫茫一片，而是黃橙色的。取材自 "International Cloud Atlas", WMO, 1987。

17. 不下雨的雲主要由雲滴（小水滴）所組成，雲滴比分子大許多，大致為20微米大小的雲滴可以散射出各種光譜，但因為雲是一團紊亂的對流體，雲滴的分佈也是非常雜亂的，向四面八方散射的各種顏色的光，加在一起就成了白色。而再大一點的雲滴或水滴已經足夠構成反射的條件，白色的陽光被反射出去後當然是白色的。（左圖取材自"Meteorology Today", Ahren, 1994; 右圖為洪秀雄所拍攝。） 為什麼雲的外觀是白的

18. 當陽光射入雲裡面時，如果雲裡面都是比較細小的雲滴或雨滴的話，就會產生散射或反射，使穿透的陽光減少，所以越到雲的底部，光線越弱。據了解，只要雲層厚度超過一千公尺，就幾乎沒有光線可以穿透了。發展比較旺盛的雲，裡面的水滴比較大，這時水滴扮演的是反射及吸收陽光的角色，光線的穿透力就更弱。所以會下雨的雲都是烏黑的，而且雲越黑表示對流越強，雲裡面的水滴越多、越大。發展強盛的雲，通常其上層一定有許多冰晶，光在冰晶中的穿透力比在水滴中還弱許多。下圖只是小小的烏雲，其底部就已經是烏黑的了；其邊緣比較薄陽光的散射使雲看起來像是鑲了銀邊一樣。（拍攝者：洪秀雄） 為什麼厚的雲是灰黑色的

19. 為什麼霾是灰濛濛的 霾是由空氣中的懸浮粒子散射可見光而造成的現象。懸浮粒子有灰塵、鹽粒、水滴甚至於有火山灰等，在乾燥的大氣中它們大致是在0.1 微米左右，會散射黃、紅色光，使得天空不再是湛藍的顏色。下圖是瑞典鄉下拍的系列照片，時間由上至下，最上面一張是早晨09:44, 最下面一張是14:07的;狀況。在09:44 時，空氣中有薄薄的霾，遠方的山林及低層天空有點灰灰的（乳白色的--Milky white）不透明感，遠處的山甚至於都不見了。隨著時間的發展，霾逐漸消失，到了14:07 天空恢復成湛藍色，而且遠處的山也清楚的顯現出來，並恢復其本色。（取材自"International Cloud Atlas, Vol. II" WMO, 1987）

20. 當空氣中濕度比較大時，水汽會附著在懸浮粒子上，而使粒子變大，而使散射落入米氏散射的範疇，於是散射的結果是灰濛濛的一片。下圖取材自「地球的奧秘」，讀者文摘社出版，左圖顯示紐約空氣比較清朗的情形，而右圖則顯示城市被籠罩在霾之下的情景。

21. 為什麼霧是白茫茫的 當空氣呈飽和狀態時，水汽凝結成小水滴，這和雲滴的成因大致是類似的。霧裡的水滴大約是在1 微米左右，對可見光而言是構成米氏散射的條件，故散射的是白色的光，而顯得白茫茫一片。也由於光在霧中散射掉了，因此相隔較遠的物體的光線隨著距離而減弱，所以變得模糊。霧越濃衰減越嚴重，物體發射的光還沒到達人的眼睛就被散射殆盡，而看不見了。在霧或霾中，肉眼可以辨識物體的距離稱為「能見度」。下圖由左向右及由上向下顯示霧由濃轉淡的過程（取材自"International Cloud Atlas, Vol.II", WMO, 1987）

22. 為什麼會有雲隙的萬箭光芒 在早晨或傍晚時分，陽光由雲的裂縫裡洩漏出來，看起來像是萬箭齊發的情景（下面左圖），特別是在夕陽的配合下，金黃色的光「線」自雲底傾洩下來，煞是美麗（下面右圖）（攝影者：洪秀雄）。這種光芒稱為曙暮光（crepuscular ray），是由於陽光被懸浮在空氣中的粒子散射所致，又由於通常只有在清晨和黃昏時才可以看到，故名。清晨在樹林中也經常可以看到這種光象

23. 這是清晨在樹林中，陽光被尚未消散的霧所散射的結果。

24. 由於大氣的密度下面比上面大，當星星由與地平線有一個傾向角射入大氣層時會發生折射，當眼睛看到它時，它看起來的位置比原來的位置高（見下圖，取材自Meteorology Today, Ahrens, 1994）。如果這時大氣的密度因為空氣在移動（風）的緣故而發生變化，折射的結果就會有異，而使得星星看起來的位置也改變了。當這種情形一直持續的話，就會發生星星看起來是在閃爍的樣子。當星星在我們上空時，折射的效果不明顯，它的位置和原來位置相差不多，不是我們察覺得出來的，即使空氣在移動，我們也察覺不出它位置的變化，所以就不會閃爍了。 星星一閃一閃亮晶晶

25. 折射使得星星顯現的位置和原來位置有異的情形，同樣也發生在日出及日落時， 由於大氣的密度下面比上面大，日光在進入大氣層時會發生折射，使得太陽在清晨還在地平線之下時就被看見了，而在黃昏時則實際太陽已經在地平線下面了，我們還看到無限好的夕陽。（下圖取材自Meteorology Today, Ahrens, 1994）

26. 彩虹是大氣裡特別美麗的光學現象，通常早晨出現在西方，下午出現在東方，一定發生在和太陽相反的方位。彩虹通常會同時出現兩道七彩的半圓弧，比較亮的在下面，稱為虹（primary rainbow），比較暗淡在上面，稱為霓（secondary rainbow），兩者在顏色的排序上正好相反。虹的顏色是上紅下紫，而霓則是上紫下紅。下面的照片取材佳能公司的月曆，是蒙古大草原上所拍攝到的完美的虹霓。

27. 彩虹是由於日光射入水滴，在水滴內經一次反射及二次折射以後形成的色散現象，如下圖（取材自美國伊立諾大學網頁）。紅色的和入射日光成42度夾角，紫色的和入射日光成40度夾角。請特別注意，這時紫色在上面，紅色在下面，和我們看到的虹的顏色排序是相反的，所以書上或有人用一粒水滴的折、反射來說明虹的成因是錯的！這裡水滴的下降是另一個重要的因素，這樣在低位的水滴將紫色送達眼睛，而在上位的水滴則將紅光送達眼睛，才會形成我們看到的紅色在上面、紫色在下面的主虹的顏色排序。

28. 而霓則是日光在水滴中經二次反射及二次折射而形成的色散現象，如下圖（取材自美國伊立諾大學網頁）。因為日光在水滴中的路途較長，所以比較暗淡。同樣的也請特別注意，二次反射及二次反射後，紫色在下面，紅色在上面，和我們看到的虹的顏色排序也是相反的。所以水滴的下降是另一個重要的因素，這樣在低位的水滴將紅色送達眼睛，而在上位的水滴則將紫光送達眼睛，才會形成我們看到的紫色在上面、紅色在下面的霓的顏色排序。

29. 當太陽接近地平線時，有時可以發現在真正太陽的兩側還各有一個太陽，多出來的假的太陽稱為幻日（sundogs）。

30. 幻日是因為大氣裡六面體形狀的冰晶，當它們是水平橫躺著時，折射日光，使之偏折22度，以至於在太陽兩側各22度的地方出現太陽的幻影。這種現象通常在緯度比較高的地方才看得到。

31. 當光線（日光、月光或任何光線）射過含小水滴的薄雲層時，光波在小水滴上產生繞射，就好像小水滴兩邊各為光源一樣，兩個新光源的電磁波在小水滴後面相互干涉，而形成明暗相間的光環。當許多小水滴產生繞射時，在雲層的後面就形成多彩的光環，其顏色的排序為內藍外紅。這種光環稱為「華」（corona），由日光所引起的稱為日華，由月光所引起的稱為月華。當光線（日光、月光或任何光線）射過含小水滴的薄雲層時，光波在小水滴上產生繞射，就好像小水滴兩邊各為光源一樣，兩個新光源的電磁波在小水滴後面相互干涉，而形成明暗相間的光環。當許多小水滴產生繞射時，在雲層的後面就形成多彩的光環，其顏色的排序為內藍外紅。這種光環稱為「華」（corona），由日光所引起的稱為日華，由月光所引起的稱為月華。

32. 月光引起的華稱為月華，其成因和日華是完全相同的。在台灣，月華是常見的光象，特別是在月圓的夜晚，日華則比較少見，日華也比較難觀賞，因為在薄雲的情況下陽光太過強烈，而在厚雲的情況下卻不可能看到日華。

33. 圍繞太陽或月亮的光暈（環）稱為暈（halo），與中心成22度夾角的稱為二十二度暈，成46度的稱為四十六度暈。沒注意時會以為暈是白色的，其實是有顏色的，只是在窄窄的暈環上排列了內紅外藍的色環，不太容易察覺，不像華那樣顏色排列清晰可辨。

34. 暈是日、月光射進柱狀冰晶折射後形成的，當日、月光是垂直於冰晶長的一邊時，就形成二十二度暈。暈通常是由卷層雲造成的。（下圖取材自University of Illinois電子教材。）

35. 當日、月光是順著冰晶長的一邊射入時，由於折射就形成四十六度暈。（下圖取材自University of Illinois電子教材。）

36. 在晴朗的清晨，地面上的草佈滿了露珠，當你站在陽光下，望向你的陰影時，會發現你的陰影被一片光芒所包圍，這稱為寶光（heiligenschein），有峨嵋寶光的說法。基本上因為露珠是相當大的水滴，陽光照射下會反方向回射陽光來的方向，但因為露珠是圓球形狀的，所以多多少少反射的光會散開來，進入你眼睛的部分讓你以為這些光是包圍你的陰影而發的。在晴朗的清晨，地面上的草佈滿了露珠，當你站在陽光下，望向你的陰影時，會發現你的陰影被一片光芒所包圍，這稱為寶光（heiligenschein），有峨嵋寶光的說法。基本上因為露珠是相當大的水滴，陽光照射下會反方向回射陽光來的方向，但因為露珠是圓球形狀的，所以多多少少反射的光會散開來，進入你眼睛的部分讓你以為這些光是包圍你的陰影而發的。

37. 蜃景（俗稱海市蜃樓）（mirage）是由於大氣密度不均，光在傳播時產生折射後造成的。有上蜃景（inferior mirage）、下蜃景（superior mirage）及側蜃景（lateral mirage）之分。 　　在視野很遠的公路上開車時，常常以為遠處有一大灘水似的（如圖），那是因為藍天被折射到地面以下所致，這是下蜃景的一個例子。

38. 當地面溫度遠比上層氣溫為高時，大氣的密度在下層較小，上層較大。由於光的行進速率在密度較大的介質較慢，所以光線在下層同一時間比上層跑比較長的距離，而產生向上偏折的結果，肉眼看起來光源是來自地面以下，故為下蜃景。

39. 當氣溫在上層較下層溫暖時，大氣的密度在上層遠比下層為小。所以光線在上層同一時間比上層跑比較長的距離，而產生向下偏折的結果，肉眼看起來光源是來自高處，故為上蜃景

40. 這張照片中遠處較高的山是假的，是蜃景，較矮的山才是真的。

41. 來自北極的故事 　　1818年一個晴朗而嚴寒的日子，在加拿大巴芬島附近，一艘張滿帆船正在進入充滿了未知的海洋上。在船上的是 James 及 John Ross 兩個兄弟，他們希望找到據信可以連結太平洋和大西洋的「西北通道」。但這一天早晨，他們的希望幻滅了，因為就在他們的正前方橫亙著一座高聳而巨大的山脈，正好阻擋住水道。失望之餘，他們打道回府，並且告訴世人，所謂西北通道是不存在的。大約七十五年後，Perry 將軍也遭遇到相同的障礙，並且稱之為Crocker Land。 　　傳言因此而起：是否有金、銀甚至於寶石隱藏在山背後？好奇心充斥著世界各地探險者的心，但都沒有答案。一直到1913年，美國自然歷史博物館委託Donald MacMillan 帶領一個探險隊深入北極，要解開Crocker Land 的神秘面紗。旅途的初期令人很是失望，因為在Perry報告說有大山脈的地方，他們看到的是一望無際的開擴水域。後來他們終於看到Crocker Land，但是在Perry遭遇點以西二百多英里的地方。他們儘可能的向西繼續航行，然後下錨，改由一小隊人用步行的方式繼續探險。 　　當他們向著山走過去時，山好像也在向後退。如果他們站定不動，山也不動。如果他們再向前走，山又開始後退。雖然每個人都很困惑，但大家還是在發亮的雪原上奮勇前進，一直到三座高山包圍著他們為止。他們心想，Crocker Land的寶藏終於是屬於他們的了。但下一瞬間，太陽消逝在地平線以下，同時在身旁的山就像變魔術般溶解在冰冷的北極暮色之中。大家目瞪口呆的望著四周無涯的冰，那有山的蹤跡！ 　　（洪秀雄譯自Ahrens' "Meteorology Today"）