“神秘”的光学现象让天空“好热闹”

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　　天上的云外形千姿百态，颜色多姿多彩，有的洁白如玉，有的乌黑如墨……这些不同颜色的云是怎么产生的？
　　云是悬浮在大气中的小水滴或冰晶微粒或两者混合的可见聚合体，有时也包含一些较大的雨滴、冰或雪粒。云体的外形虽然多种多样，但概括起来大致有三种，包括布满全天的层状云、孤立高大的积状云以及如波涛般层叠起伏的波状云。它们的厚薄相差很大，厚的可达七八千米，薄的只有几十米。层状云和雷雨时布满天空的积雨云都比较厚，太阳和月亮的光线都难以通过，云体看起来就很黑，稍微薄一点的层状云和波状云，看起来是灰色的，波状云的边缘部分，色彩变为灰白。孤立高大的积状云比较厚，它向阳的一面，光线几乎全部反射出来，因而看起来是白色的，它背光的一面底部，光线不容易透过，看起来比较黑。
　　日出或日落前后，天空和山顶，尤其是太阳附近的天空和云层上会出现瑰丽多姿、五彩缤纷的大气光学现象，它就是霞。根据出现时间可分为朝霞和晚霞。朝、晚霞出现的方位和色彩受太阳位置、空气中水汽、气溶胶分布、云量和云状的影响。
　　在曙、暮光时间内，阳光斜穿过大气层，并且在低层大气中有很长的光程，由于大气分子、水汽、尘埃微粒对光的散射和吸收，使阳光受到很大衰减，各种不同颜色的光衰减情况又不相同，因此，通过大气层的阳光已经显示出不同的颜色，这些光再经过大气中散射粒子的散射，才能到达人的眼睛，这就进一步增加了天空色彩的复杂性。
　　当阳光穿过大气层时，波长较短的紫光和蓝光衰减较多，到达地平线上空时所剩无几，余下的是波长较长的黄、橙、红色光，因此，在太阳高度角很低的日出日落时，看到的太阳光盘是橙红色的，这种偏红色的阳光再通过天空中的散射粒子散射后仍是波长较长的光居多，因此，霞光多偏红、橙、黄等色彩，而且越接近地平线，霞光的色彩越偏于红色。
　　当大气湿度较大时，或在系统性云系移近时，空中会悬浮着很多较大的水滴，这些不同大小的水滴对各种颜色的光有不同的散射作用。大气中水汽含量越多，霞的色彩就越鲜艳或暗红；水汽少的时候，霞光发青发白，所以有“霞光暗红雨凄凄，霞光青白行千里”之说。
　　大气中的气溶胶粒子对霞光也有重要的影响，当粒子较大时，射入的光色彩将变得复杂，同时会受到较大衰减。当粒子比光的波长大很多时，各色光就具有相同的散射能力，散射光仍是白色的，这时，霞光将显得很弱，呈现出淡黄、淡红和灰等颜色。所以，大气中尘埃含量越多，霞的亮度越弱。
　　大气中的另一种光学现象彩虹，是因为阳光射到空中接近圆形的小水滴造成色散及反射而成的。当中以40°—42°的反射最为强烈，形成我们所见到的彩虹。造成这种反射时，阳光进入水滴，先折射一次，然后在水滴的背面反射，最后离开水滴时再折射一次。因为水对光有色散的作用，不同波长的光折射率有所不同，蓝光的折射角度比红光大。由于光在水滴内被反射，所以观察者看见的光谱是倒过来的，红光在最上，其他颜色在下。
　　彩虹最常在下午雨后天刚转晴时出现，这时空气中尘埃少而充满着许多小水滴，它们就像悬浮在空中的微型三棱镜，把通过它们的太阳光分解成七色光带，再反射回来。这时，人如果站在太阳和雨滴形成的雨幕之间，就会看到色彩缤纷的彩虹，还有在“飞流直下三千尺”的瀑布附近也能看到彩虹。
　　空气里水滴的大小，决定了虹的色彩鲜艳程度和宽窄。空气中的水滴大，虹就鲜艳，也比较窄；反之，水滴小，虹色就淡，也比较宽。水滴过小，就没有彩虹。
　　由此看来，天空的光学现象其实并没有我们想象中的那么神秘，它们都是由于日月的光线在穿过大气层时，被大气吸收、放射、折射、散射和衍射造成的。
山西省气象局 高振朝