寫實派中的抽象分子——被大氣“彎曲”的光
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作者：BOB KING
編譯：sunday
校對：張雙國、李宜驊
排版：簡稚珉
後臺：李子琦
原文鏈接：skyandtelescope.org/astronomy-news/find-a-horizon-and-savor-the-bending-of-light/
看看剛從地平線上升起的滿月，才能深切體會到地球大氣層的折射能力。
圖注：幾年前我在明尼蘇達州的德盧斯拍攝了這張照片，滿月正從冰雪覆蓋的蘇必利爾湖升起。由於地平線上沒有障礙物遮擋，因折射而壓扁的月球格外引人注目。其實我們有很多機會看到被大氣折射壓扁的滿月。多注意注意當地的月出時間，以免錯過良機。
圖源：Bob King
即使作爲一個忠實的深空和彗星觀測者，我卻仍然期待看到滿月從天邊升起，月光傾灑於夜空。幸運的是我住在湖畔，東面有絕佳的視野，可以確保一覽無餘地欣賞這經常出現且永遠動人的景色。一年之中，月亮大多直接從湖面升起，沒有了作爲前景的樹木或山丘的阻擋，造就了這一觀察地球大氣層折射效應的理想環境。
圖注：折射是視覺成像和折射望遠鏡(其他類型的望遠鏡也同樣)運作的關鍵原理。圖片的兩個示例中，光束從低密度的空氣介質進入望遠鏡物鏡(或眼睛的透鏡，即晶狀體)，發生折射彎曲並聚焦。
圖源：NASA / JPL-Caltech, Inset: Bruce Blaus, CC BY-SA 4.0
折射（或者叫光線的彎折能力）始終存在。例如，彩虹，星星，通過折射鏡看到遙遠星系寶貴的光芒，都是源自折射原理。沒有光線的偏折，人類的視覺就無從談起。
光線產生折射的原理很簡單。當一束光從一種介質傳播到另一種介質時，其速度和方向會發生變化。光線進入光密介質時速度減慢，進入光疏介質時速度加快。速度的變化改變了光束的方向（小編注：費馬原理，即光線總是沿着光程爲極值的路徑傳播）。當天體發出的光以任何非垂直角度照射進地球的大氣層時，光線的軌跡會向地面彎曲偏轉。
圖注：這張圖表顯示了天體的高度（橫座標）與其光線透過大氣層被偏折角度（縱座標）的對應關係，當目標天體在空中的高度有35 °及 以上時，其光線被偏折的角度很小且幾乎沒什麼變化，但當天體的高度很低（接近地平線）時，其光線被偏折的角度迅速增加。
圖源：Jeff Conrad / CC BY 3.0
垂直天體發出的光不會發生折射。如果你在天頂看到一顆恆星，那麼它實際就在那裡。但是當你慢慢地把視線轉到地平線上，大氣的偏折就開始生效了。
大氣層偏折會由淺入深地慢慢欺騙你。一顆恆星的目視高度爲45 °，其實際位置僅低了1角秒。即使降低到10 ° 高的位置，這個目視和實際的差距也只有5.4角秒 ，大約爲滿月視直徑的五分之一。但是到了地平線附近，偏折角度迅速增加，5 ° 時爲9.7′角秒，1 ° 時爲21.8角秒 ，0.5 ° 時爲25角秒，地平線處爲33.7角秒（比滿月還大）。原來騙局纔剛剛開始。
圖注：我們透過地平線附近那層最密的大氣，可以觀察到劇烈的折射。實際上天體在升起之前就被“擡升”到了視野之內，而將它們壓扁的則是較差折射。
圖源：Sciencia58 / CC BY-SA 4.0
對於大氣而言，密度越大折射率就越大。根據定義，頭頂正上方（90°高度處）的空氣量爲1個氣團。在地平線上方30°，空氣量增加到2個氣團，影響最小。在地平線附近，我們的視線會穿過40個氣團，這些空氣足以在整個月盤升起之前將其折射或“擡升”到視野之中。此時此刻，如果你打個響指讓大氣層憑空消失，那麼月亮也會隨之消失！如果地球上空氣較少甚至沒有空氣，月升和日出會晚到2分鐘。正是有了大氣的折射，日升日落纔會往夜晚延遲。這就是爲什麼在二分點上白晝實際上要比夜晚長几分鐘。
圖注：這還是月球嗎？2022年6月26日，下蛾眉月在升起之前就因劇烈的折射使而進入人們的視野。較差折射不僅壓扁了月球，還壓碎了這彎纖細的蛾眉月。
圖源：Bob King
較差折射精妙地把升起和落下時的月亮塑造成了豆袋椅形狀。地平線上的大氣折射造成大約爲34角分的偏折，但往上0.5 ° 偏折會減小到25角分左右。月球底部靠近地平線，被“推擠”到了折射率較低的中上部位置。從底部到頂部約有9角分的偏折差異，幾乎等於月球視直徑的三分之一。
從近地軌道上看，扁平化會更加明顯。相比於地面，國際空間站的航天員觀察月亮和太陽的升落需要透過更厚更多的大氣。相應的偏折差異會更加明顯，天體被進一步擠壓，變成了紅色的M&M糖豆。
圖注：2003年4月16日，航天員唐 · 佩蒂特在國際空間站拍下了這組滿月的照片。國際空間站在近地軌道運行導致照片中的月球迅速下落。
圖源：NASA
大氣的折射率並不是恆定的，它會隨溫度、溼度和大氣壓力的變化而變化。這就是我們無法將看日出和日落的時間精確到秒的原因。在適當的條件下，極端的溫度和壓力可以使折射造成的偏折角增加2 ° 甚至更多。極地探險家歐內斯特·沙克爾頓爵士在其著作《南方極地！沙克爾頓最後一次探險的故事1914-917》中描述了太陽在預測中最後一次出現的日期之後，又再次出現的情形：
“7天前肯定是太陽最後一次露面，然而在5月8日（1915年）有一半多的日盤升到了地平線以上，我們無比震驚。那天上午11點，北方地平線上的一道亮光隨着太陽出現。15分鐘後，這位不合時宜的客人又消失了，11點40分它再次出現，下午1點鐘又再次沉落，1點10分又升起來了，1點20分還在降落的邊緣逗留。這些奇特的現象是大氣折射造成的，下午1點20分折射偏轉角高達2° 37′。當時的氣溫低至華氏零下15度（約零下26°C），我們計算出折射造成的偏轉角比正常值高2°。換句話說，看到太陽的位置在比折光表顯示的位置還要往南193公里。”
圖注：觀賞滿月或殘月的升起通常會遇到驚喜，這要歸功於大氣層密度和溫度的變化。真正的月亮下方的扭曲圖像是一個粗糙的幻象。這種情形與在滾燙的公路上看到“一灘積水”如出一轍，水面看似“倒映出”了天空，其實這天空圖像是被積水蒸發形成的熱空氣折射回我們的眼睛。一層暖空氣覆蓋在較冷的水面上，便可形成這種幻象。
圖源：Bob King
我並沒有專門研究過接連着的兩次滿月期間地平線上的折射程度的變化，但我很好奇，通過對連續的月升(或日出)進行例行觀測和仔細計時或許能揭示這種變化。即使是0.5°的差異肉眼也很容易發現。或許我們可以嘗試一下？
圖注：
左上：非常接近地平線，由於較差折射，月球的下半部分看起來比上半部分扁平得多;
右上：高度到達45°，月球幾乎是一個完美的圓;
右下：伴隨月亮升起出現的幻象，擾動的大氣層“啃噬”了幻象月亮的邊緣;
左下：最後一張照片還展示出了色散的影響，大氣層就像一個棱鏡將月光色散成彩虹，上下兩部分分別被染成了綠色和紅色。雙筒望遠鏡可以明顯觀測到。
圖源：Bob King
除了月升和日出時出現的詭異的折射效應，觀察者視線所穿透的空氣層也會因不同溫度和密度產生折射效果。每層空氣彎曲光線的程度都在實時變化，從而整出一個麻麻賴賴的月球，月球表面看起來像是產生了波動的漣漪，造就了一個七扭八扭的抽象形狀。當然了，幻象也可能同時存在其中。
視頻註釋：2008年4月5日，日本的月亮女神號探測器拍攝下這段地球升起的視頻，這段視頻很好地說明了月球上空氣多麼稀薄。當地球從月球邊緣升起時，折射是不存在的。視頻中地球的上升是由航天器繞月運行引起的。
來源：JAXA/NHK
我希望你也能在接下來的夜晚與月亮赴約，找一個東南方向地平線處沒有遮擋的地方，靜候月亮變形。
責任編輯：楊欣冉
牧夫新媒體編輯部
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圖注：哈勃太空望遠鏡的這張照片展示了透鏡星系的一個近乎邊緣的視角。
圖源：ESA/Hubble & NASA, L. Kelsey
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