写实派中的抽象分子——被大气“弯曲”的光

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作者：BOB KING

编译：sunday

校对：张双国、李宜骅

排版：简稚珉

后台：李子琦

原文链接：skyandtelescope.org/astronomy-news/find-a-horizon-and-savor-the-bending-of-light/

看看刚从地平线上升起的满月，才能深切体会到地球大气层的折射能力。

图注：几年前我在明尼苏达州的德卢斯拍摄了这张照片，满月正从冰雪覆盖的苏必利尔湖升起。由于地平线上没有障碍物遮挡，因折射而压扁的月球格外引人注目。其实我们有很多机会看到被大气折射压扁的满月。多注意注意当地的月出时间，以免错过良机。

图源：Bob King

即使作为一个忠实的深空和彗星观测者，我却仍然期待看到满月从天边升起，月光倾洒于夜空。幸运的是我住在湖畔，东面有绝佳的视野，可以确保一览无余地欣赏这经常出现且永远动人的景色。一年之中，月亮大多直接从湖面升起，没有了作为前景的树木或山丘的阻挡，造就了这一观察地球大气层折射效应的理想环境。

图注：折射是视觉成像和折射望远镜(其他类型的望远镜也同样)运作的关键原理。图片的两个示例中，光束从低密度的空气介质进入望远镜物镜(或眼睛的透镜，即晶状体)，发生折射弯曲并聚焦。

图源：NASA / JPL-Caltech, Inset: Bruce Blaus, CC BY-SA 4.0

折射（或者叫光线的弯折能力）始终存在。例如，彩虹，星星，通过折射镜看到遥远星系宝贵的光芒，都是源自折射原理。没有光线的偏折，人类的视觉就无从谈起。

光线产生折射的原理很简单。当一束光从一种介质传播到另一种介质时，其速度和方向会发生变化。光线进入光密介质时速度减慢，进入光疏介质时速度加快。速度的变化改变了光束的方向（小编注：费马原理，即光线总是沿着光程为极值的路径传播）。当天体发出的光以任何非垂直角度照射进地球的大气层时，光线的轨迹会向地面弯曲偏转。

图注：这张图表显示了天体的高度（横坐标）与其光线透过大气层被偏折角度（纵坐标）的对应关系，当目标天体在空中的高度有35 °及 以上时，其光线被偏折的角度很小且几乎没什么变化，但当天体的高度很低（接近地平线）时，其光线被偏折的角度迅速增加。

图源：Jeff Conrad / CC BY 3.0

垂直天体发出的光不会发生折射。如果你在天顶看到一颗恒星，那么它实际就在那里。但是当你慢慢地把视线转到地平线上，大气的偏折就开始生效了。

大气层偏折会由浅入深地慢慢欺骗你。一颗恒星的目视高度为45 °，其实际位置仅低了1角秒。即使降低到10 ° 高的位置，这个目视和实际的差距也只有5.4角秒 ，大约为满月视直径的五分之一。但是到了地平线附近，偏折角度迅速增加，5 ° 时为9.7′角秒，1 ° 时为21.8角秒 ，0.5 ° 时为25角秒，地平线处为33.7角秒（比满月还大）。原来骗局才刚刚开始。

图注：我们透过地平线附近那层最密的大气，可以观察到剧烈的折射。实际上天体在升起之前就被“抬升”到了视野之内，而将它们压扁的则是较差折射。

图源：Sciencia58 / CC BY-SA 4.0

对于大气而言，密度越大折射率就越大。根据定义，头顶正上方（90°高度处）的空气量为1个气团。在地平线上方30°，空气量增加到2个气团，影响最小。在地平线附近，我们的视线会穿过40个气团，这些空气足以在整个月盘升起之前将其折射或“抬升”到视野之中。此时此刻，如果你打个响指让大气层凭空消失，那么月亮也会随之消失！如果地球上空气较少甚至没有空气，月升和日出会晚到2分钟。正是有了大气的折射，日升日落才会往夜晚延迟。这就是为什么在二分点上白昼实际上要比夜晚长几分钟。

图注：这还是月球吗？2022年6月26日，下蛾眉月在升起之前就因剧烈的折射使而进入人们的视野。较差折射不仅压扁了月球，还压碎了这弯纤细的蛾眉月。

图源：Bob King

较差折射精妙地把升起和落下时的月亮塑造成了豆袋椅形状。地平线上的大气折射造成大约为34角分的偏折，但往上0.5 ° 偏折会减小到25角分左右。月球底部靠近地平线，被“推挤”到了折射率较低的中上部位置。从底部到顶部约有9角分的偏折差异，几乎等于月球视直径的三分之一。

从近地轨道上看，扁平化会更加明显。相比于地面，国际空间站的航天员观察月亮和太阳的升落需要透过更厚更多的大气。相应的偏折差异会更加明显，天体被进一步挤压，变成了红色的M&M糖豆。

图注：2003年4月16日，航天员唐 · 佩蒂特在国际空间站拍下了这组满月的照片。国际空间站在近地轨道运行导致照片中的月球迅速下落。

图源：NASA

大气的折射率并不是恒定的，它会随温度、湿度和大气压力的变化而变化。这就是我们无法将看日出和日落的时间精确到秒的原因。在适当的条件下，极端的温度和压力可以使折射造成的偏折角增加2 ° 甚至更多。极地探险家欧内斯特·沙克尔顿爵士在其著作《南方极地！沙克尔顿最后一次探险的故事1914-917》中描述了太阳在预测中最后一次出现的日期之后，又再次出现的情形：

“7天前肯定是太阳最后一次露面，然而在5月8日（1915年）有一半多的日盘升到了地平线以上，我们无比震惊。那天上午11点，北方地平线上的一道亮光随着太阳出现。15分钟后，这位不合时宜的客人又消失了，11点40分它再次出现，下午1点钟又再次沉落，1点10分又升起来了，1点20分还在降落的边缘逗留。这些奇特的现象是大气折射造成的，下午1点20分折射偏转角高达2° 37′。当时的气温低至华氏零下15度（约零下26°C），我们计算出折射造成的偏转角比正常值高2°。换句话说，看到太阳的位置在比折光表显示的位置还要往南193公里。”

图注：观赏满月或残月的升起通常会遇到惊喜，这要归功于大气层密度和温度的变化。真正的月亮下方的扭曲图像是一个粗糙的幻象。这种情形与在滚烫的公路上看到“一滩积水”如出一辙，水面看似“倒映出”了天空，其实这天空图像是被积水蒸发形成的热空气折射回我们的眼睛。一层暖空气覆盖在较冷的水面上，便可形成这种幻象。

图源：Bob King

我并没有专门研究过接连着的两次满月期间地平线上的折射程度的变化，但我很好奇，通过对连续的月升(或日出)进行例行观测和仔细计时或许能揭示这种变化。即使是0.5°的差异肉眼也很容易发现。或许我们可以尝试一下？

图注：

左上：非常接近地平线，由于较差折射，月球的下半部分看起来比上半部分扁平得多;

右上：高度到达45°，月球几乎是一个完美的圆;

右下：伴随月亮升起出现的幻象，扰动的大气层“啃噬”了幻象月亮的边缘;

左下：最后一张照片还展示出了色散的影响，大气层就像一个棱镜将月光色散成彩虹，上下两部分分别被染成了绿色和红色。双筒望远镜可以明显观测到。

图源：Bob King

除了月升和日出时出现的诡异的折射效应，观察者视线所穿透的空气层也会因不同温度和密度产生折射效果。每层空气弯曲光线的程度都在实时变化，从而整出一个麻麻赖赖的月球，月球表面看起来像是产生了波动的涟漪，造就了一个七扭八扭的抽象形状。当然了，幻象也可能同时存在其中。

视频注释：2008年4月5日，日本的月亮女神号探测器拍摄下这段地球升起的视频，这段视频很好地说明了月球上空气多么稀薄。当地球从月球边缘升起时，折射是不存在的。视频中地球的上升是由航天器绕月运行引起的。

来源：JAXA/NHK

我希望你也能在接下来的夜晚与月亮赴约，找一个东南方向地平线处没有遮挡的地方，静候月亮变形。

责任编辑：杨欣冉

牧夫新媒体编辑部

『天文湿刻』 牧夫出品

微信公众号：astronomycn

图注：哈勃太空望远镜的这张照片展示了透镜星系的一个近乎边缘的视角。

图源：ESA/Hubble & NASA, L. Kelsey

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