王佃合

對于太陽照射光線在大氣層中折射聚集傳播的分析

王佃合

地球面在接受太陽光照的過程中，存在著光照直射的區(qū)域，必然有一條光線與地球半徑的延伸線重合，無論傳播光線在大氣層中是否發(fā)生折射，這條光線方向都不改變，這就是大氣層傳光過程中的主光軸。從高中物理知識中可以知道“大氣層對太陽光以及從其他星球射過來的光確有折射作用，天邊恒星射過來的光線最多偏轉(zhuǎn)37分，天頂恒星的光線不偏轉(zhuǎn)。”傳播光線存在了折射，便存在了人們分析折射過程中的法線，大氣層在地球周圍以地球重力的吸引而存在，大氣層中每一個折射點的法線就是這一點地球半徑的延伸線。當我們把發(fā)生平面折射的折射面逐漸傾斜，入射角會隨之逐漸增大，折射角也會隨入射角的增加而逐漸增大，折射光線的偏轉(zhuǎn)聚集逐漸增強，這也就是大氣層傳播折射光線的基本方式。

大氣折射；法線；主光軸；聚集傳播；溫室效應；太陽視形狀

引言

人們在認識自然界的過程中所存在的假象，必然會與有關(guān)的自然現(xiàn)象出現(xiàn)自我矛盾。自古至今，人們認為地球面是直接接受了太陽輻射光照，在這個前提下，出現(xiàn)了許多奇異的有關(guān)聯(lián)的自然現(xiàn)象。

“1969年7月20日，兩名美國宇航員第一次登上了月球，第一眼看到的就是十分奇異的景色，在地球上，陽光是從頭頂照射下來的，可這里的上空是黑洞洞的，月球表面卻灑滿了燦爛的陽光”。地球周圍的大氣層對太陽光照能夠發(fā)生折射作用，而月球表面卻不具備發(fā)生折射的條件。人們飛出了大氣層，登上了月球，對比之下發(fā)現(xiàn)了奇異。應當說地球面上大氣層內(nèi)的自然現(xiàn)象才是奇異的，這是奇異之一。

奇異之二：在近地面積12000米的大氣對流層中，包括了70%的大氣干潔氣體質(zhì)量，和90%的水汽質(zhì)量，“氣溫隨海拔高度每升高100米，下降0.650”。在對太陽光照能夠發(fā)生明顯折射的大氣對流層的外圍，被冰冷的氣候包裹著。緯度較低，“海拔高度8848米的珠穆朗瑪峰，是冰山雪林常年不化，每天最低氣溫都在零下三、四十度”。而緯度較高，“洼海平面154米的吐魯番盆地，卻取得過47.50全中國最高的溫度紀錄”。在炎熱的夏天里，強烈光照下的鐵板可以炒熟雞蛋餅，應當說光照強度才是地球面氣溫變化的根本原因。

奇異之三：在我國古代文獻《兩小兒辯日》中，“一兒曰：‘日初出大如車蓋，及日中則如盤盂，此不為遠者小，而近者大乎？’一兒曰：‘日初出滄滄涼涼，及日中則如探湯，此不為近者熱而遠者涼乎？’”在《氣象學》中“我們看見地平線附近的太陽和月亮，比它們在600高度時大4倍至5倍”。我們在早晨，下午時觀察太陽視形狀，比中午時遠地球半徑的距離，這是一個異于常理的自然現(xiàn)象。在地球面上，當一地是中午時，同時有一地是早晨，一地是下午，人們在同一時區(qū)內(nèi)，不同的地方，可以同時觀察到太陽變化的全過程，而大氣層外太陽的本身是不會變化的?，F(xiàn)在人們已經(jīng)證實，在大氣層外的宇宙空間站是觀察不到太陽視覺形狀的大小變化的。這一現(xiàn)象只能是在大氣層內(nèi)發(fā)生的。下面我們對這一現(xiàn)象形成的原理進行分析推論。

一、平行照射的光線在透明球體內(nèi)是能夠發(fā)生折射聚集傳播的

我們用一個圓球形玻璃瓶，裝滿水，做成一個透明圓球體，從瓶口放入一個帶柄的物體；在視線的方向上沿球體的直徑向前逐漸推進物體，在球體表面上觀察到物體的視覺形狀是逐漸擴大的。光線在空氣與水兩種介質(zhì)中傳播，是能夠發(fā)生折射的；傳播光線存在了折射，就存在了介質(zhì)間的折射面，存在了分析折射過程中的法線。在透明球體表面上，每一點的受光面，就是這一點半徑的切線面。半徑的延伸線就是折射過程中的法線。當平線傳播的光線照射球面時，有一條入射光線與球體的半徑（即法線）重合，垂直于半徑的切線面（即介質(zhì)受光面）；在凸透體傳光原理中，穿過光心的主光軸方向不變。在物理教科書中我們學過，“當光線垂直射向介質(zhì)表面時，傳播方向不改變”[1]。這就是透明球體內(nèi)折射光線傳播的主光軸。在主光軸兩側(cè)，光線的折射狀況是對稱的。從主光軸開始，透明球體半徑的張開角每增加1度，半徑切線的傾斜增加1度，入射光線的入射角增加一度，入射角等于半徑的張開角；根據(jù)折射率N=SIN?1/SIN?2的比例，折射角?2隨入射角的增加而增大；我們用入射角減去折射角，得到一個折射光線的偏轉(zhuǎn)角，偏轉(zhuǎn)角與折射角之合，是入射角的對頂角，所以，入射角的正弦與偏轉(zhuǎn)角的正弦之比也是一個常數(shù)，偏轉(zhuǎn)角隨入射角的增大而增加，隨半徑張開角的增大而增加。

在透明體內(nèi)，折射光線存在了向焦點聚集傳播的趨勢，便存在了凸透體的傳光的原理，“當物體在凸透體的焦距內(nèi)，觀察到的是物體正立的、放大的虛像”，而且距離焦點越近，虛像越大，這就是物體在透明球體內(nèi)視覺形狀逐漸擴大的原因。

二、大氣層在地球重力的吸引下，依附在地球周圍，形成的是一個密度遞減的圓殼形透明體

地球是一個圓球體，“地球表面大約71%被水面覆蓋”，水是可以流動的物體，而形成在地球周圍海洋里水的表面卻是圓形的，這是由于地球重力的吸引作用才形成的。說明在地球周圍半徑相同（即海拔高度相同）的位置，地球重力的吸引作用是相同的。氣體也是一種物質(zhì)，是可以飄浮的物休，它同樣接受到地球重力的吸引作用；在緯度相同，地球周圍半徑相同的高度位置，大氣層中的氣體是在相同重力的吸引下，隨著地球的自轉(zhuǎn)做勻速離心運動，根據(jù)向心力F向=mv/r2，當F、V、R相等時，大氣層中相同體積里的氣體質(zhì)量M相同。在不考慮氣溫影響的情況下，大氣層在地球周圍形成的是一個密度遞減的圓殼形透明體。特別是達到海拔高度8000米以上的高空，氣溫下降到零下三、四十度以下，在相同高度形成了比較穩(wěn)定的氣溫層，氣溫的降低冷縮作用更增加了同一海拔高度位置氣體的密度，大氣對流層8至10千米的外圍形成的形狀，決定了大氣層整體的受光形狀。

表1

三、太陽輻射光線在大氣層中的折射聚集傳播

1折射“我們?nèi)绻萌庋墼谔炜罩羞x擇一個450角的點，實際測量一下，只有220左右，而且越接近地面這個差值越大。

天空實際高度與天空視高度表”[2]（見表1）

我們在高中物理中學過“大氣層對太陽光及其他星球射過來的光確有折射作用，天邊恒星射過來的光最多偏轉(zhuǎn)37分，天頂恒星的光線不偏轉(zhuǎn)”。

2主光軸地球接受太陽光照的面是半球面，存在著光照直射的區(qū)域，在這一區(qū)域必然有一條光線與地球半徑的延伸線重合，它垂直于地平面，垂直于大氣層的折射面，在不存在折射的狀況下，這條光線方向不變，在傳播光線發(fā)生了折射的狀況下，“當光線垂直射向介質(zhì)表面時，傳播方向不改變”，這就是大氣層傳光過程中的主光軸?！疤祉敽阈堑墓饩€不偏轉(zhuǎn)”及天空實際高度與天空視高度表，都證明了主光軸的存在。在主光軸的兩側(cè)傳播光線的折射狀況是對稱的。

3法線法線是垂直于折射面的直線。地球是一個圓球體，如果我們把圓周中的一點切開，拉伸成一條直線，圓的任一條半徑都成為了直線的垂線。大氣層依靠地球重力的吸引而存在，比較均勻的分布在地球周圍。如果我們作一條地球半徑的延伸線，半徑在地球面的切線就是地平線，大氣層的折射面平行于地平線，也就是垂直于這條半徑，地球半徑的延伸線就是大氣層的折射法線，大氣層折射傳光過程中的主光軸的存在，也證明了設立地球半徑的延伸線為法線是正確的。

從主光軸開始，當?shù)厍虻膱A心角每旋轉(zhuǎn)增加1°，半徑的切線（即地平線）的傾斜增加1°，平行照射的入射光線的入射角增加1°，折射光線的折射角及偏轉(zhuǎn)角也將根據(jù)折射率N=SIN?1/SIN?2的比例，隨入射角的增大而增加，這也就形成了太陽照射光線在大氣層中的折射聚集傳播。

4大氣層對折射光線的偏轉(zhuǎn)聚集傳播視覺天空：觀察插入水中的筷子，發(fā)現(xiàn)水中的筷子是彎曲的，由于發(fā)生了折射我們看不到水中筷子的實際位置，看到的只是形成在水面的筷子的折射位置。由于從真空射入的傳播光線在大氣層中發(fā)生了逐漸彎曲的折射，人們觀察不到大氣層外天體的實際位置，看到得只能是形成在大氣層內(nèi)最大折射程度上的折射位置。以能夠發(fā)生明顯折射的大氣層的厚度為10千米來計算，地球的半徑為6371千米，視天空球冠體的底半徑為（6371+10）2-63712=357.12km，占地球圓心角為ta?nO地=357.1/6371=0.05605，O地=3.20。連接視天空頭頂及天邊的弦，形成一個半球冠體的三角形ABC，天邊頂角為tanB=10/357.1= 0.028，B=1.60。

天空視高度的測量：在人們的視覺天空中、是以地平線為參照物，是相對靜止的；是以主光軸為中心，背對背，反方向，面向測量物，實際高度低于視高度所做的測量。實際中，當太陽從地平線的東方升高，我們的視覺位置在西方，地球是從西方向東方旋轉(zhuǎn)，地平線旋轉(zhuǎn)1800，太陽在地平線的西方落下，地平線上早晨的東方和下午的西方共同指向一個方向——太陽。以主光軸為中心，視覺天空中的東方（上午），就是實際天空中的西方（上午），視覺天空中的西方（下午）成為了實際天空東方（下午）。以宇宙中的一點為參照物，地球每24小時均速旋轉(zhuǎn)1周（3600），每小時旋轉(zhuǎn)張開角150，從主光軸始，大氣層折射面旋轉(zhuǎn)傾斜，與參照物間所形成的夾角就是實際角度，實際角度等于900減去旋轉(zhuǎn)張開地心角。我們在天空中選擇的點M、就是入射光線在大氣層中最大折射程度上的折射點。我們的測量點A就是折射光線的著陸點，視高度測量角為f,從測量點到折射點M在地平線上的距離為a，引M點在 AMB的高。a=357.1-b

如果我們用肉眼在天空中選擇一個450角的點M，實際測量一下只有220左右。當實際角度為220時，這一點與地球橫直徑的夾角為220，光線以直線傳播時在地球橫直徑的長度為X

cos220=X/（6371+10）X=0.9272x6381=5916.4632

光線以直線傳播時在地球面上應有的角度N應等于地球半徑與橫直徑長度X的夾角cosO=5916.46/6371 O=21.80=N在視天空中，如果視覺高度為N=21.80tanN=tan21.80=0.4時a=357.1-b

入射光線在直線傳播狀況下，視覺天空中，折射點與著陸點在地平線的距離a=23.28。占地心角tanO地=2.328/6371=0.00365 O地=12.5，

當測量角f=450時，a=357.1-b

tan450=1，357.1=（1+0.0279）b,b=347.472,a=9.69266,占地心角tanO地=9.69/6371=0.0015，O地=5.5分，

折射傳播光線在地平線上的偏轉(zhuǎn)聚集距離為23.28-9.69= 13.59km,地心角偏轉(zhuǎn)等于12.5′-5.5′=7′。地角心所對應的半徑在地球面的切線（即地平線）偏轉(zhuǎn)7′。我們設置一個平面圓周，在圓周邊上確定一點M，從M點引一直線，直線與M點半徑切線的夾角為220，我們旋轉(zhuǎn)圓周，使圓心角半徑旋轉(zhuǎn)張開角為7′，可以看到點M、M點半徑切線、M點夾角為220的直線、都同時偏轉(zhuǎn)7′。照射光線在大氣層內(nèi)的折射，使地心角偏轉(zhuǎn)7′，等同于M點半徑的切線，原地偏轉(zhuǎn)7′，折射光線偏轉(zhuǎn)角為7′。平行照射的入射光線的入射角等于900減去實際角度，實際角度為220時，入射角?1=900-220= 680，折射率為n=sin680/sin67053′=1.00086。

根據(jù)上述計算方法，得出不同實際角度位置折射光線在大氣層中的偏轉(zhuǎn)狀況：（見表2）。

根據(jù)表2中折射率的數(shù)值得出大氣層折射率的近似值為1.000967。

表2

四、結(jié)論：

太陽光照在大氣層的折射傳播過程中，“天頂恒星光線不偏轉(zhuǎn)”，主光軸的存在是必然的；隨著地球的轉(zhuǎn)動，當光照在頭頂垂直照射時，主光軸可以隨時存在，主光軸就是法線，就是地球半徑的延伸線。法線就是地球半徑的延伸線?！拔覀兛吹酱髿鈱油獾娜赵滦浅?，它的實際位置總要比我們看到的低，而且越接近地平線它的差值越大”，這就是無可置疑的，太陽光照在大氣層中的偏轉(zhuǎn)聚集傳播。

根據(jù)測量的天空實際高度和對應的天空視高度，可以計算出地心角的偏轉(zhuǎn)狀況，每1′地心角所對應的地面弧長為6371×2× 3.14÷3600÷60′=1.852（km）折射光線偏轉(zhuǎn)聚集，光照必然增強，這就是大氣層內(nèi)溫室效應的主要原因。

由于大氣層透明度的限制，夜晚能夠在實際天空角度50閃爍的恒星已寥寥無幾，當實際高度為50，入射角等于900減去50等于850。sin85/0SIN?2=1.000967,SIN?2=0.9962/1.000967=0.99523, ?2=84.40。折射光線的偏轉(zhuǎn)角等于實際角度減去折射角度為850-84.40等于0.60，折射光線偏轉(zhuǎn)36分。

早晨當一縷陽光從地平線上升起，我們以實際高度為10計算，?1=900-10=890sin ?2=sin890/1.000967=0.9998/1.000967=0.99883 ?2=87.20。折射光線的偏轉(zhuǎn)角等于890-87.20=1.80，地平線的偏轉(zhuǎn)角度為1.80，說明在這一實際高度位置，我們在視天空內(nèi)地平線上看到的太陽，實際位置在地平線以下0.80。

根據(jù)在不同角度位置折射光線在大氣層內(nèi)的偏轉(zhuǎn)狀況可以證明，密度遞減的圓殼形大氣層透明的傳光原理，類似于透明圓球的傳光原理，具有了凸透體的聚光功能。觀察透明球體內(nèi)物體的視形狀可以發(fā)現(xiàn)，物體在焦距以內(nèi)，看到的是正立的，放大的虛像，距離焦點越近，物體的視形狀越大；“折射光線的傳播路徑是可逆的“我們的視覺位置在大氣層聚光的焦距以內(nèi)，由于球冠形大氣層凸透體的天邊頂角為1.60，在靠近地平線時，折射光線所穿過的大氣層的厚度迅速增加，聚集功能增強，形成了太陽視形狀在地平線附近，是正立的，放大的虛像。

太陽照射光線在大氣層中是能夠折射聚集傳播的；存在了折射，便存在了視覺天空與實際天空角度的懸殊：存在了偏轉(zhuǎn)聚焦傳播，便存在了光照的增強；具有了凸透體的傳光原理，就形成了人們視覺中太陽視形狀的大小變化。這些現(xiàn)象是互相關(guān)聯(lián)、互為證據(jù)的內(nèi)在關(guān)系。

[1]2001年版初級物理教科書第一冊第83頁

[2]成都氣象學院主編，農(nóng)業(yè)出版社出版，1979年版《氣象學》第233，234頁。

王佃合（1965-），男，山東省臨沂市蘭山區(qū)馬場湖鎮(zhèn)九莊村，學歷：高中，務農(nóng)。