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太阳在早晨呈现为红色的形成原因
摘要:太阳光透过地球表面的具有球形性质的大气层的过程中,太阳光发生折射、色散现象。由于色散后的外层红色光区没有和其它色光混合。所以,外层的光区显示为红色。因为随着地球的自转,地球表面进入白昼时,首先要经过这层红色光区。所以,在日出时段内观察太阳时,太阳是红色的。
关键词:球形光密介质,色散,红色光区,混合光区
中图分类号: 文献标识码:A 文章编号:1673-8500(2013)03-0054-02
本文根据太阳光在球形光密介质中的折射、色散性质,对太阳光透过大气层的过程中的色散性质进行分析。分析表明,早晨及傍晚的太阳呈现红色,是与太阳光在球形性质的大气层中的折射、色散的性质有关。
一、球形光密介质对太阳光的色散性质分析
若凸透镜可视为无数个顶角不同而底面都朝中间的三棱镜构成,那么。球形光密介质,可视为特殊的凸透镜。如图1所示。
当太阳光透过球形光密介质时,因为上半球(以过球心的最大截面为例)使光的折射方向向下偏折,同时发生色散现象,下半球使光的折射方向向上偏折,同时发生色散现象。所以,折射、色散后,上下最外层的光区呈现为没有和其它色光混合的红色光区。而内部由于色散后又发生交叉、混合,所以,视觉上显示为白色。这就是球形光密介质色散太阳光后会呈现外层是红色的单色光区(焦距以内),内部是白色的原因。
由下面的实验可以证明上面所描述的这一现象。如图2所示。
实验器材:玻璃球一个,白纸一张。
实验步骤:把玻璃球放在明亮的太阳光下,把白纸放在玻璃球折射后的太阳光的光区中(焦距以内)。
观察结果:白纸上出现一个经过玻璃球折射、色散后的一个光区,而且这个光区,具有外圈是红色的单色光区,内部是白色光区。
二、早晨的太阳呈现红色的形成原理
虽然整个地球上的大气层形成为球形,但是由于大气层由内向外的密度是逐渐减小的,所以太阳光进入大气层被折射后的路线应当是弯曲的,而且是弯曲的程度由外向内是逐渐变大的,这种向同一方向继续折射的性质,其实和三棱镜的性质一样,是有利于加剧光的折射及色散现象的。由第一节的分析可知,也就是由于这种使折射现象加剧,以及透过的大气层的路程很大,才导致了太阳光在大气层内就有鲜明的色散现象,所以,这种渐变的折射现象,不但不影响光的色散现象,而且是增强了太阳光的色散性质。
所以,为了方便分析,本文用直线来表达光在大气层中的折射现象,即可视为大气层的密度基本是均匀的。如图3所示。
由第一节的理论可知,当太阳光透过球形性质的大气层时,由于大气层对太阳光的折射、色散。形成外层呈现没有和其它色光混合的红色单色光区,内部呈现色散后又混合到一起的视觉上呈现白色的光区。
可以这样推理,既然在陆地上,太阳在日出时段内呈现为红色,说明太阳光被大气层折射、色散后的红色光区是恰好掠过陆地表面的(红色光区的方向和陆地表面相切)。随着地球的自转,也只有日出时段内的陆地表面必须通过这层红色光区。才能在日出时段内太阳在视觉上会呈现为红色。
同理,由于地球上整个大气层的厚度基本是相同的(同一纬度),切呈现为球形,傍晚的日落时段内,太阳也是红色的。
由于球形的大气层折射、色散太阳光后的内部是混合的色光,视觉上是显示为白色,所以,随着地球的自转,陆地表面转到大气层折射、色散太阳光后的内部