為什麼我們在地球上看天上的星星,會經常出現一閃一閃的現象?

2021-01-12 優美生態環境保衛者

「一閃一閃亮晶晶,滿天都是小星星,掛在天上放光明,好像無數小眼睛」,這首兒歌相信大家都會吟唱,歌詞形象地表達了從地球上觀看星星的那種搖曳不定、忽明忽暗的狀況。我們能夠看到地外天體,也就是通常意義上我們說的星星,主要是由它們發射或者反射的光線,經過宇宙空間之後到達了地球,而一閃一閃的情況,必定說明在光線傳播的過程中受到各種形式的幹擾。

發光體表面狀況會對視覺差異產生影響嗎?不會。

恆星之所以能發光,主要在於內核中每時每刻都在發生著核聚變,以氫的聚變為例,四個氫原子核聚變為一個氦原子核過程中,會釋放3個光子和部分能量,這些光子在反覆的釋放和被吸收、再釋放的過程中,通過漫長的幾萬年才會到達恆星的表層,從而以光線的形式向四周傳播,這也是我們在地球上能夠看到外太空星體發光的最直接原因。而恆星內部的這種核聚變反應,是每時每刻都在發生的,其聚變程度取決於內部發生聚變原料的豐富程度,在較短的時間尺度內,其虧損的質量佔總質量的比例微乎其微,因此釋放光子的數量不可能發生明顯變化,其釋放的光線也應該處於相對穩定的狀態。

而對於行星或者衛星來說,我們能夠觀察到它們,主要是依靠它們反射恆星發出的光線。而行星或者衛星反射恆星光線的能力,主要取決於它們的表面組成結構、地勢起伏程度以及行星大氣層密度等情況。雖然這些行星或者衛星一般情況下具有和地球不一樣的自轉和公轉速度,其面向地球一側的表面狀態會有所差異,但是從地球的視角來看,只要來自它們的光線能夠照射到地球,在短時間內表面狀況對反射光線的和影響程度,仍然不足以造成突然的明暗變化。

一方面是行星或者衛星的轉動速度,在幾秒鐘的時間內不可能造成太大的位移。另一方面,距離地球一定距離的行星或者衛星,其視覺星等是一個相對穩定的數值,雖然會在一定的區間內變動,但是變動幅度不會很大,也不會造成星星一閃一閃的現象。星星與地球的距離變化會產生視覺上的明顯差異嗎?也不會。

大家都知道,光線在真空中傳輸速度保持不變,能量也保持不變,理論上光線在真空中能夠傳播無限遠。但是宇宙空間並不是絕對意義上的真空,而是充滿著極其稀薄的氣體和星際塵埃,光線在傳播的過程中,會在氣體分子和星際塵埃的作用下,經常發生著被吸收、反射和折射的作用,光線的傳播路徑就發生輕微改變,光線的能量也因此而逐漸衰弱,因此,無論是恆星自發的光線,還是其它星體反射的恆星光線,都會在傳播途中持續發生著衰減,距離地球一定範圍以外的星體,我們在地球上將很難再用肉眼或者望遠鏡觀測到。

但是,只要我們在地球上看到了這顆星星,就表明來自這顆星星的光線,沒有完全被損耗掉,或多或少地照射到了地球,而照射光線的多少,取決於光源的強度和亮度。

而且,目標星體與地球的距離,雖然也在不斷發生著變化,但是從絕對數值上看,變化的數量與平均距離相比,都是微乎其微的,星星一閃一閃地變化,肯定不是星星突然距離地球很遠,然後再回到原來的位置,這也不符合宇宙天體的運行規律。

星星與地球之間是否存在遮擋物?肯定存在,但不會造成一閃一閃的現象。

宇宙中擁有數不勝數的各類天體,從地球的視角上看,在觀測者與目標星體之間,肯定存在著很多體型較大、數量眾多的其它星體,有一定概率出現視覺重疊現象。我們能夠觀測到星星發出的光線,然後被遮擋物遮住的現象,最明顯的就是距離我們很近的太陽、月亮與地球三者之間,因相互位置的變化產生的日食、月食情形。

但是,這種遮擋的程度、以及持續的時間,會隨著我們觀測角度範圍的大小,直接影響著觀測目標亮度變化的持續時間,距離地球越近,目標星體的視覺面積越大,星體的相對位移速度越快,那我們所觀測到的這種亮度變化持續的時間就越短,反之就會很長。

除了近距離的太陽、月球以及太陽系內的其它行星之外,銀河系中的其它恆星和恆星系統中的行星、衛星,距離我們都以數光年、幾十光年、幾百光年等來計,它們之間的相對位移速度,投影到地球上就會變得相當緩慢,所以我們在地球上看到星圖時,絕大部分的星體位置都是處於不變的位置的。而如果能夠影響目標星體亮度的遮擋物,其自身體積和質量,肯定不比目標星體差,所以我們看到星星一閃一閃情況的發生,不可能是目標星體被亮度更低或者反射光線能力更低的星體所遮擋。

問題只能出在地球大氣層身上

排除了以上因素,我們只能把目光瞄準到地球的大氣層之上,因為這是來自星體的光線進入我們眼睛的最後一個必經之地。

地球的大氣層從外向內依次是散逸層、暖層、中間層、平流層和對流層,除了對流層之外,其它層之內的物質濃度非常稀少,對於光線的吸收和反射、折射作用遠沒有對流層明顯。而進入對流層之後,一方面空氣分子的逐漸增多,吸收地球紅外輻射的能力逐漸提高,另一方面近地熱空氣與上層冷空氣發生熱對流的頻次也相應明顯升高,空氣會處於非常不穩定的狀態,這種情況對於目標星體發出光線進入人眼之後的視覺效果,將會產生明顯的影響,主要表現在:

光線的折射變化。正常情況下,越靠近地面的空氣密度越高、越往上空氣密度越低,但在空氣熱對流的影響之下,不同密度的空氣在空中的分布是處於極不穩定的狀態的,也就造成了同一區域會每時每刻都在發生不同密度空氣的混合現象,從而造成不間斷的密度變化。而光線在通過不同密度的介質時,會發生折射現象,從而使得光線的傳輸方向發生改變,這種不同密度空氣的擾動,將會使光線偏移更加具有不確定性。光線的反射變化。不同密度的空氣,同樣對光的反射產生影響。密度越小的介質,特別是空氣,其對光線的透過性就越高,反射作用就不明顯,反之透過性就越低,反射作用就越強。當不同密度的空氣相互擾動,會直接影響著光線的通透率、反射率在不同高度上的微小數值變化,從而進入到人眼之後反映出的光線亮度產生一定的差異。雜質對光線傳輸的影響。地球大氣層中不但含有密度不同的常態氣體分子,同時還存在著大量的懸浮顆粒物、氣體汙染物、氣溶膠顆粒等,這些物質聚集起來,不但會直接拉高空氣對光線的阻擋和吸收效果,而且會增強其對光線的反射和衍射能力,而且這些雜質在空氣裡是處於不斷地漂移運動之中,對於星星光線的不確定性減弱也有直接的影響。總結一下

從以上的分析可以看出,我們在地球上看到星星之所以一閃一閃,主要原因還是出在我們的大氣層,由於空氣分子熱運動和微細顆粒、氣溶膠等雜質的影響,使得原來直線傳輸的光線持續發生著偏移、回歸、再偏移、再回歸這種反覆的變化,光線強度的這種反覆變化,在進入人眼之後引發忽明忽暗的狀況。

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