大氣的光與色彩

5-1 大氣的反射、折射、繞射和散射
大氣中的氣體、水滴、冰晶對光會產生反射(圖5-1，圖5-2)、折射(圖5-3，圖5-4)、繞射(圖5-5)、散射(圖5-6)等效應，形成各種有趣的光學現象[1] 。大氣溫度或密度的變化也會產生幻象，如海市蜃樓。

圖5-1 反射 (圖片來源：Ahrens，p.82，Fig. 4.1)

圖5-2 陽光線受雲的反射圖 ((圖片來源：Ahrens，p.83，Fig. 4.2))

圖5-3 折射 (圖片來源：Ahrens，p.93，Fig. 4.21)

圖5-4 陽光經過大氣層產生折射 (圖片來源：Ahrens，p.88，Fig. 4.12)

圖5-5 繞射 (圖片來源？)

圖5-5 陽光經過大氣層產生散射 (圖片來源：Ahrens，p84，Fig. 4.4)
5-2 冰晶產生的現象
1.反射
如果大氣中存在許多片狀冰晶，若由飛機上或高山上往下看，這些片狀冰晶宛若水面( 圖5-6)，反射太陽光，呈現太陽倒影 (subsun)( 圖5-7)。

圖5-6 片狀冰晶宛若水面，反射太陽光 ((圖片來源？)
A subsun is caused by horizontally-floating ice plate crystals. The millions of crystals act as a mirror, reflecting the sunlight. The more aligned the crystals are, the more sharply defined the subsun will be. The effect is relatively rare, only because the ice cloud has to be below the observer, like an airplane flight or from another elevated position.

圖5-7太陽倒影 (圖片來源？)
2.折射
當光從一個介質進入另一個介質，行進方向會改變，為折射。冰晶折射產生的現象，如日暈、月暈。六角形的冰晶柱，宛如三稜鏡(圖5-8)。當冰晶柱的軸與光前進方向垂直，產生約22o的折射；若是平行則產生46o折射。如果大氣中佈滿小冰晶柱，且軸的方向一致，日光或月光穿透時被折射，在太陽或月亮周圍形成光環，稱為日暈或月暈(圖5-9，圖5-10)。由於紅色光折射程度最小，藍色光最大，日暈、月暈內環為紅光，外環為藍光(圖5-11)。天晴、有卷雲的夜晚，常見月暈(因為卷層雲內都是冰晶)。暈多為22o，甚少46o。
如果是大冰晶片，則見不到整個光環，只在水平方向，22o方位角有兩個光點，看起來像三個太陽，成為幻日(sun dogs) (圖5-12，圖5-13)。A.D.40時，羅馬人就已觀測到幻日，視為不祥之兆。
由於冰晶反射陽光，會發生日柱(Sun pillar )( 圖5-12，圖5-14)。

圖5-8暈的成因 (圖片來源：Ahrens，p.92，Fig. 4.19)

圖5-9 日暈 (圖片來源：Ahrens，p.92，Fig. 4.18)

圖5-10 日暈(圖片來源：Ahrens，p.93，Fig. 4.20)

圖5-11暈的內環為紅光，外環為藍光 (圖片來源：Ahrens，p.94，Fig. 4.22)

圖5-12暈(halo)、幻日(sun dogs)、日柱(sun pillar)示意圖 (圖片來源：Ahrens，p.95，Fig. 4.25)

圖5-13幻日(sun dog) (圖片來源：Ahrens，p.94，Fig. 4.23)

圖5-14 日柱 (圖片來源：Ahrens，p.95，Fig. 4.24)
5-3 水滴產生的現象
1. 彩虹(rainbows)
在希臘神話之中，Iris彩虹女神，上帝的使者，帶來戰爭及死亡的信息。對非洲、美洲土著而言，彩虹則代表大蛇。彩虹(圖5-15)是由於太陽光經過小水滴時，受到二次折射，一次反射，產生第一道彩虹(primary rainbow)，偏向程度與日光進行方向差138o，因此我們看到第一道彩虹呈現42o方位角(圖5-16~圖5-18)。若日光受到二次折射，二次反射，則產生第二道彩虹(50o)(圖5-19)。由於紅光受折射偏向最小，藍光最大。第一道彩虹的顏色排列由內向外：藍→紅；第二道則紅→藍。彩虹多發生在大雨之後，須背對陽光才看得到。每個人看到的彩虹都以觀察者為中心形成42o或50o的光環。

圖5-15 彩虹 (圖片來源：Ahrens，p.97，Fig. 4.29)

圖5-16 彩虹成像示意圖 (圖片來源：Ahrens，p.96，Fig. 4.26)

圖5-17 雨滴對陽光反射示意圖 (圖片來源：Ahrens，p.96，Fig. 4.27)

圖5-18 一次反射示意圖 (圖片來源：Ahrens，p.97，Fig. 4.28)

圖5-19 二次反射示意圖 (圖片來源：Ahrens，p.98，Fig. 4.30)
2.冕(或華)(corona)
被薄雲層遮著的太陽或月亮，有時使雲呈現多種色彩，此為冕(corona)(圖5-20，圖5-21)。此一現象，是由於光經過小水滴，產生繞射(參考圖5-5)。受到擾動的光與未受擾動的光互相干擾，某些地方較亮，某些地方則較暗。由於繞射對各種顏色光的影響程度不同，因而出現各顏色。水滴愈小，冕愈大。

圖5-20 月冕 (圖片來源：Ahrens，p.99，Fig. 4.31)

圖5-21 日冕 (圖片來源：Ahrens，p.99，Fig. 4.32)
3.光環(glory)
日光經過水滴，受到二次折射，一次反射，離開水滴再往太陽而去。背對著太陽，可見到一光環(圖5-22，圖5-23)，飛行中常見。

圖5-22 光環 (圖片來源？)
The glory is the name for colored diffraction rings around the antisolar point (i.e. where the shadow of the observer‘s head is). The rings occur when the sun (or moon or any light source) shines on a cloud deck or fog bank. The radius of the diffraction rings is dependent on the size of the cloud droplets: the smaller the droplets, the larger the radii. Moreover, the droplets have to be of much uniform size. The glory is believed to be caused by backscattered light rays which skim the edges of a water droplet. Diffraction takes care of the multiple colored rings, like with the corona.

圖5-23 光環成因示意 (圖片來源：Ahrens，p.100，Fig. 4.35)
4.草露寶光 (Heiligenschein)
草露寶光常發生在清晨有露的草地，當我們背光而立，在影子頭部常有光亮區域，即為草露寶光(圖5-24)。

圖5-24 草露寶光 (圖片來源：Ahrens，p.101，Fig. 4.36)
5-4 海市蜃樓(mirage)
若介質密度不同，光會產生折射。一般而言，大氣密度變化相當緩和，折射程度小，我們通常不察覺。在特殊情況下，比如酷熱夏天沙漠，因為地面太熱，形成相當顯著的溫度(即密度)垂直變化。在此情況，光折射程度大，經常產生海市蜃樓(圖5-25)。光會往密度較大(或較冷)的地方偏。因此，當暖空氣在冷空氣之上，我們看遠處物體，比實際高，相反的，如果暖空氣在冷空氣之下，則看到的物體比實際低。如果溫度垂直化速率不一致，則折射程度不一致，物體會產生縮小或放大的現象，如果物體在視覺上較實際位置低，稱為下蜃景(inferior mirage)；若較高稱為上蜃景(superior mirage)。

圖5-25海市蜃樓成因示意圖 (圖片來源？)
1. 下蜃景
夏天午後，看遠處路上，似有一灘水。這是因為折射的關係，人眼所看到的影像來自較高處(如天空)，而路面反而看不到。經常只能看到樹或人的上半部，有時物體影像倒立(圖5-26，圖2~27)。

圖5-26下蜃景 (圖片來源：Ahrens，p.90，Fig. 4.15)

圖5-27下蜃景成因示意圖 (圖片來源：Ahrens，p.91，Fig. 4.16)
有人認為摩西率以色列通過的紅海，可能是海市蜃樓！出埃及記中：
a. 海水夜晚退去：因為夜晚氣溫下降，不再有垂直溫度梯度。因為下蜃景消失。
b. “ The children of Israel went into the midst of the sea upon dry ground, and the waters were a wall unto them on their right hand and on their left.”
因為海市蜃樓只在遠處才看得到，當走向它，就消失。
→海水退後。
c. “ The sea returned to his strength when the morning appeared ”
因為地面受熱，海市蜃樓又出現。
d. “ And The waters returned and covered the chariots, and the horseman”
因為愈熱，折射愈厲害，海市蜃樓景象看起來就像海水將法老的軍隊淹沒，對埃及士兵而言，可能認為以色列人被海水淹沒，所以回家了！
2.上蜃景
The “Fata Morgana” ( the fairy Morgan )( 圖5-28，圖5-29)，亞瑟王的妹妹，據稱具有法力建「空中城堡」。由於折射放大的關係，原本在地面上只是一點，可產生空中高牆(圖5-30)。

圖5-28 “Fata Morgana” (Ahren, p.92, Fig. 1)

圖5-29上蜃景 (圖片來源？)

圖5-30上蜃景成因示意圖 (圖片來源：Ahrens，p.91，Fig. 4.17)
5-5 綠光 (Green flash)
（參考網站：成大物理系）
蘇格蘭傳說：”Those who have seen the green flash will never err in matters of love.”
太陽上升或西沉時，有時可見「綠光」(圖5-3 1)(非常短暫)。太陽西沉至海平面以下時，由於折射，我們仍可見到太陽掛在海平面上。由於藍光偏向較大，若以望遠鏡看太陽，下半部是紅色，上半部邊緣則是藍色。但是有時候，散射太厲害，藍色光在到達人眼之前幾乎消失，我們就有可能看到綠光。

圖5-31綠光 (圖片來源：Ahrens, p.89, Fig. 4.14)
5-6極光 (Aurora)
參考網站(http://www.exploratorium.edu/learning_studio/auroras/index.html)
太陽風(圖5-33)帶來的帶電粒子，進入地球的磁場(圖5-34)，與氧、氮原子撞擊，部分能量湧來激發氧、氮原子（比如，電子被激發到較高的軌道）(圖5-35)，當這些氣體分子回到常態（比如，電子回到原來的軌道），就會放出各種不同顏色的光(圖5-36)。一般而言，綠色的光由在100-250公里高的氧原子放出，紅色的光由200-500公里高的氧原子放出(圖5-37~圖5-39)，100公里處的氮原子則會放出紅光。氫與氦原子會放出藍色與紫色光，但是肉眼不易見到。
極光通常發生於高緯度地球磁場進入地面的區域(圖5-40)，在較低緯度地區，由於地球磁場與地面越趨平行，因此不易看到極光。北極附近的極光稱為北極光（Northern lights 或Aurora borealis），南極附近為（Southern lights; Aurora australis）。當太陽黑子活躍時，太陽風的帶電粒子較多，因此極光較為明顯。

圖5-33 太陽風 (圖片來源：Ahrens, p.48, Fig. 2.18)

圖5-34地球的磁場 (圖片來源：Ahrens，p.45，Fig. 2.17)

圖5-35 被激發的原子、離子或分子，恢復時會發光 (圖片來源：Ahrens, p.48, Fig. 2.19)

圖5-36 極光發生顏色的高度示意圖 (圖片來源？)

圖5-37 極光 (圖片來源: http://earthobservatory.nasa.gov)

圖5-38 極光 (圖片來源: http://earthobservatory.nasa.gov)

圖5-39 極光
(圖片來源: http://www.exploratorium.edu/learning_studio/auroras/index.html)

圖5-40 極光帶 (圖片來源：Ahrens, p.48, Fig. 2.20)