2009年8月3日 星期一

觀天入門:扭扭落日

檢視每一次你能看到的日落(或日出)時所看到的太陽外形,記錄扭曲的形式及每種形狀出現的頻率。研究(和繪製或拍攝)每一個形狀的細部演進過程。試著取得你的觀測地點和望向太陽方向的區域,當時的氣溫和水溫以及其它的氣象資料。

當太陽向地平線西沈時,它的光芒可能會經不同水平層的大氣,也就是不同溫度的大氣,也就是不同密度的大氣,因此太陽的外形就會有不同的扭曲現象。

不同的空氣密度到底是如何扭曲太陽的外形呢?當最底部大氣有不尋常的溫度-高度變化時,就會產生水平多層次。空氣愈冷,密度愈大,因此光線易於折向較冷的空氣。但這只是空氣在隨高度有劇烈變化時所產生的強大折射現象,也只解釋了一種太陽外形的極端變化。讓我們來看看下圖所顯示的不同夕陽形狀,每一個都是你可以仔細觀察和研究的對象。

Various kinds of distorted sunsets

範例(一)是夕陽比平常還要更扁,它的成因是接近地表時,平常就有比較大的折射現象,若是冷空氣層只比地表的暖空氣層高一點點,則折射現象就更大了。通常會在地表附近產生薄薄的暖空氣層的原因是有一個廣大水體,將其表面的空氣增暖,而且是只有那薄薄的一層空氣分享了水體所含的熱量。

範例(二)是範例(一)更特別的情況,就是在水面上產生一個海市蜃樓般的太陽幻影,稱為反太陽(Countersun)。一個完美(上下顛倒)的影子由海中升起,碰上正在落下的真的太陽。兩者碰在一起時的形狀如範例二圖所示,或許多一點或少一點,然後兩個逐漸合併為一整個。天文學者施哈夫(Fred Schaaf)曾經看過反太陽從水中升起了一半,然後碰到真正的太陽。那麼反太陽是如何形成的呢?它是太陽在水中的倒影,本來是看不到的,因為地表的光線折射作用,形成海市蜃樓現象,觀察者就看到反太陽由水中升起,碰到真正的太陽,然後熔在一起。

範例(三)是範例(一)相反的情況:當有暖空氣層移動至一個廣大的冰冷水體(冰原或雪原)上方時。在這種情形時,部份光線因為冷空氣層而折射向下,使觀測者無法看到,因此在落日的下方的天空中會有一整條區域是不可見的,稱為盲帶(Blind Strip)。當太陽逐漸落下,碰到盲帶時,彷彿不是沈入地平線之下,而是沈入虛無漂渺的空氣中。只有在觀測者站在高山或其它高地時,才有可能看到太陽在盲帶之下再度出現,如同範例(三)圖示。

範例(四)是地表有強烈的溫度不連續現象,形生了許多個薄空氣層。因此太陽圓盤的每一個水平線條折射的程度都不一樣,就好像看哈哈鏡一樣,忽胖忽瘦加上一些突棘。你也可以稱它為「中國燈籠太陽」。當太陽通過每一個不連續層時,它的水平線條看起來可能會向上移動、分離、然後收縮和消失,有時還會產生很奇妙的綠色閃光。(參考下一個觀天習題)

請不要將範例(五)和前面你已了解的日落景像混在一起,範例(五)不是因為空氣折射造成的。這種奇特的雙太陽可能是日暈(Halo)景象,將在觀天習題八十討論。

問題

一、在你的觀測地點,每一種扭曲的日落形式的出現頻率為何?和前述範例圖示差異程度為何?你曾看到過反太陽嗎?升到多高或多大?

二、你觀察時的大氣溫度和水溫(可向氣象台查詢)和太陽扭曲程度的關係為何?你所記錄到最大的氣溫和水溫的差異為何?當差異最大的時候是不是你觀察到太陽變形最厲害的時候?(可能是氣溫較高,也可能是水溫較高。)

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