大氣光影的變化一 (The Optical phenomena of Atmosphere ) (II)

大氣光影的變化一 (The Optical phenomena of Atmosphere ) (II)
國立臺灣師範大學科學教育研究所李亭誼研究生/國立臺灣師範大學科學教育研究所許瑛玿教授責任編輯

在大氣中，有許多現象會因為大氣的垂直結構或光線照射角度所影響，而形成不同的光影變化或特殊的景象，例如：幻日（sundogs）、暈（halo）、蜃 景（mirage）等等。有一些現象我們已在課本中見過，例如虹（primary rainbow）或霓（secondary rainbow），然而其實還有許多特殊的大氣現象你可能連聽都沒聽過喔，就讓我們來看看這些有趣的光影變化吧！以下介紹因為冰晶的反射與折射所造成的特 殊現象：

二、冰晶的反射與折射

• 日／月華(冕)（corona）

當日光或月光照射入含有小水滴的薄雲層時，光線會在小水滴上產生繞射，而形成如同在小水滴兩邊各為光源一樣，而這兩個新光源在小水滴的後面又相互干涉，於 是形成明暗相間的光環。當同時有很多的小水滴都產生上述繞射現象時，在雲層的後面會就形成彩色的光環，光環的顏色排序為內藍外紅，此光環即為 「華」（corona）。日華（圖1）和月華（圖2）的成因相同，在台灣月華較常見，日華相對較少見且也較難觀賞，因為在薄雲的情況下陽光顯得太過刺眼， 但在厚雲的情況下卻又不會看到日華，所以日華才較不常見。

圖1：日華。資料來源：洪秀雄(2010)。日月華。2011年6月28日，取自http://www.lib.ncu.edu.tw/~hong/atmhmpg/optics/coronas.htm

圖2：月華。資料來源：洪秀雄(2010)。日月華。2011年6月28日，取自http://www.lib.ncu.edu.tw/~hong/atmhmpg/optics/coronam.htm

• 寶光（heiligenschein）

「寶光」是一種露滴所產生的光學現象。在清晨的佈滿露珠的草地上，當你站在陽光下低頭看你的影子時會發現，你的影子外圍好像被一片光芒所包圍，就很像佛祖 身後的光環一樣，所以稱作寶光（圖3）。寶光的形成是因為露珠為相當大的水滴，而當陽光照射到露珠後會反方向回射陽光來的方向，但因為露珠為圓球狀，所以 反射的光多少會散開來，光線進入你眼睛時會讓你以為這些光是包圍你的影子發射出來的，看起來就很像你的影子外圍產生了一圈光芒。

圖3：寶光。資料來源：洪秀雄(2010)。寶光。2011年6月28日，取自http://www.lib.ncu.edu.tw/~hong/atmhmpg/optics/heiligen.htm

• 蜃景（mirage）

蜃景也就是我們俗稱的海市蜃樓，蜃景的產生主要是由於大氣密度的不均勻，導致光在傳播時產生折射後所造成的。蜃景主要有三種，分別為上蜃景（inferior mirage）、下蜃景（superior mirage）及側蜃景（lateral mirage）。

當大氣的溫度是上層空氣比下層空氣溫暖時，大氣的密度本來就是隨高度增加而遞減，又加上氣溫下熱上冷的影響，使得大氣上層的密度遠比下層為小，所以光線有上往下照射時產生向下偏折的情形（圖4），使得觀察者誤以為光源是來自高處，而產生所謂的上蜃景（圖5）。

圖4：上蜃景折射示意圖。資料來源：洪秀雄(2010)。蜃景。2011年6月28日，取自http://www.lib.ncu.edu.tw/~hong/atmhmpg/optics/mirage2e.htm

圖5：上蜃景。資料來源：洪秀雄(2010)。蜃景。2011年6月28日，取自http://www.lib.ncu.edu.tw/~hong/atmhmpg/optics/mirage2.htm

相反的，當近地面大氣的溫度遠比上層大氣溫度為高的時候，則大氣的密度為下小上大，而產生向上偏折的結果，使得觀察者誤以為光源是來地面以下，故為下蜃景 （圖6）。在視野很遠的公路上開車時，駕駛人常誤為看到遠處有一大灘水在地面上（如圖7），這就是因為藍天的景像被折射到地面以下而產生下蜃景的關係，也 就是和在沙漠中常被誤以為有水源綠洲的蜃景情況相同。

圖6：下蜃景折射示意圖。資料來源：洪秀雄(2010)。蜃景。2011年6月28日，取自http://www.lib.ncu.edu.tw/~hong/atmhmpg/optics/mirage1e.htm

圖7：下蜃景。資料來源：洪秀雄(2010)。蜃景。2011年6月28日，取自http://www.lib.ncu.edu.tw/~hong/atmhmpg/optics/mirage1.htm

來自北極的故事，以下取自　洪秀雄(2010)。蜃景　原文

「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！」

參考文獻:
1. 洪秀雄(2010)。日月華。http://www.lib.ncu.edu.tw/~hong/atmhmpg/optics/coronas.htm
2. 洪秀雄(2010)。寶光。http://www.lib.ncu.edu.tw/~hong/atmhmpg/optics/heiligen.htm
3. 洪秀雄(2010)。蜃景。http://www.lib.ncu.edu.tw/~hong/atmhmpg/optics/mirage1.htm