神奇的大氣層,奇妙的折射,帶你了解日出日落背後的故事

2020-11-26 騰訊網

嚴格地說，我們並不能在太陽升起或落下後看到它。太陽升起是指太陽從地平線升起的瞬間。因此，我們無法在太陽升起前看到太陽。不過你是對的，當太陽還處於我們眼睛和地平線聯線以下時，我們確實可以看到太陽，不管是日出還是日落。這是因為太陽光在地球大氣層的傳播過程中發生了折射。地球大氣層彎曲了太陽光，因此實際上太陽並不在我們眼中看到的位置。這個偏差的大小與緯度有關，在赤道地區最為明顯。如果地球沒有大氣層，我們將晚2分鐘看到太陽升起，早2分鐘看到太陽下山。

下面更進一步的討論什麼是光線折射現象：

圖解：折射原理圖

你知道嗎？在太陽實際升起前或者太陽下山後的幾分鐘裡你都能看到太陽。

1.神奇的大氣層

當光線從一種物質射入另一種物質時將發生彎曲，這便是大自然母親最出色的戲法之一——光線的折射。折射帶來了大量的光學奇觀，如彩虹、海市蜃樓、光暈和幻日等等。同時它也是夜空中星星眨眼的 「元兇」，除此以外它還能讓鑽戒閃閃發光，水中的吸管或鉛筆「彎曲」以及讓你看到地平線以下的太陽。

光線的折射角度由以下三個因素影響：1）光的波長；2）被入射物質密度；3）光線入射角。當光線由密度較小物體射入密度較大物體時（如從空氣中射入水中或由稀薄大氣層射入稠密大氣層），光線進入密度較大的物質後將產生偏向法線（分界面的垂線）方向的偏轉。如果光線從密度較大物體中射入密度較小物體折射方向則相反。折射後光線與法線之間的夾角被稱為折射角。

但當光線垂直射入時（即沿法線方向射入），將不會發生折射。

地球大氣層的密度並不均勻——隨著海拔升高而變得稀薄。因此大氣層外的光線（當然也包括太陽光）射入地球大氣層後將發生一系列的折射。

2.天文折射

當天體發出的光線從宇宙空間進入大氣層時產生的折射稱為天文折射或大氣層折射，這與地面光源產生的地面折射形成對比。

3.錯位的太陽、月亮和星星

通過對摺射原理的分析可知，當光沿分界面法線方向傳播時不會出現折射，而以較小角度射入地球大氣層的光將發生折射（偏向法線方向），最終折射後的光線角度基本與地球的曲率一致。

這意味著當你抬頭觀看頭頂正上方的天體時，實際上它們幾乎就在你看的位置，而觀看接近地平線位置的天體時，它們在你眼中的位置比實際位置要高不少。

4.日出日落時的折射

圖解：太陽已經在地平線以下，但你仍可通過大氣層折射看到實際已在地平線以下的太陽。

當天體在地平線附近時，這種折射現象尤為明顯。因為光線從一個很小的角度射入大氣層，折射使光線產生了較大幅度的偏轉。因此太陽可以在實際躍出地平線前幾分鐘就被看到，或在落入地平線下後幾分鐘後仍能照耀著大地。

在春分和立秋時，太陽照射地球一天的時間剛好為12小時，但是在折射的作用下春分和立秋的那天的白天要比12小時稍長。

這種現象同樣也將使我們在月亮實際升起前或已經落下後看到月亮。

5.溫度及壓力對摺射的影響

折射的程度還要取決於氣溫和氣壓：氣壓越高溫度越低，折射現象將更為明顯。在一個高氣壓的寒冷天氣裡，你看到太陽完全落到地平線以下會多需要幾秒鐘時間。

6.太陽折射計算器

我們的太陽折射計算器將根據你選擇的城市計算太陽在折射效應下的日出、日落時間。該計算器基於標準大氣壓101.325千帕和氣溫15攝氏度（59華氏度）計算折射效應下的日出日落時間。因此如果當天的溫度和氣壓與我們使用的標準值有較大差異，那麼你實際看到的日出、日落時間可能與計算結果有幾秒鐘的誤差。

參考資料

1.維基百科全書

2.天文學名詞

3. timeanddate-大衛高怕飛

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