对于太阳照射光线在大气层中折射聚集传播的分析

王佃合

对于太阳照射光线在大气层中折射聚集传播的分析

王佃合

地球面在接受太阳光照的过程中，存在着光照直射的区域，必然有一条光线与地球半径的延伸线重合，无论传播光线在大气层中是否发生折射，这条光线方向都不改变，这就是大气层传光过程中的主光轴。从高中物理知识中可以知道“大气层对太阳光以及从其他星球射过来的光确有折射作用，天边恒星射过来的光线最多偏转37分，天顶恒星的光线不偏转。”传播光线存在了折射，便存在了人们分析折射过程中的法线，大气层在地球周围以地球重力的吸引而存在，大气层中每一个折射点的法线就是这一点地球半径的延伸线。当我们把发生平面折射的折射面逐渐倾斜，入射角会随之逐渐增大，折射角也会随入射角的增加而逐渐增大，折射光线的偏转聚集逐渐增强，这也就是大气层传播折射光线的基本方式。

大气折射；法线；主光轴；聚集传播；温室效应；太阳视形状

引言

人们在认识自然界的过程中所存在的假象，必然会与有关的自然现象出现自我矛盾。自古至今，人们认为地球面是直接接受了太阳辐射光照，在这个前提下，出现了许多奇异的有关联的自然现象。

“1969年7月20日，两名美国宇航员第一次登上了月球，第一眼看到的就是十分奇异的景色，在地球上，阳光是从头顶照射下来的，可这里的上空是黑洞洞的，月球表面却洒满了灿烂的阳光”。地球周围的大气层对太阳光照能够发生折射作用，而月球表面却不具备发生折射的条件。人们飞出了大气层，登上了月球，对比之下发现了奇异。应当说地球面上大气层内的自然现象才是奇异的，这是奇异之一。

奇异之二：在近地面积12000米的大气对流层中，包括了70%的大气干洁气体质量，和90%的水汽质量，“气温随海拔高度每升高100米，下降0.650”。在对太阳光照能够发生明显折射的大气对流层的外围，被冰冷的气候包裹着。纬度较低，“海拔高度8848米的珠穆朗玛峰，是冰山雪林常年不化，每天最低气温都在零下三、四十度”。而纬度较高，“洼海平面154米的吐鲁番盆地，却取得过47.50全中国最高的温度纪录”。在炎热的夏天里，强烈光照下的铁板可以炒熟鸡蛋饼，应当说光照强度才是地球面气温变化的根本原因。

奇异之三：在我国古代文献《两小儿辩日》中，“一儿曰：‘日初出大如车盖，及日中则如盘盂，此不为远者小，而近者大乎？’一儿曰：‘日初出沧沧凉凉，及日中则如探汤，此不为近者热而远者凉乎？’”在《气象学》中“我们看见地平线附近的太阳和月亮，比它们在600高度时大4倍至5倍”。我们在早晨，下午时观察太阳视形状，比中午时远地球半径的距离，这是一个异于常理的自然现象。在地球面上，当一地是中午时，同时有一地是早晨，一地是下午，人们在同一时区内，不同的地方，可以同时观察到太阳变化的全过程，而大气层外太阳的本身是不会变化的。现在人们已经证实，在大气层外的宇宙空间站是观察不到太阳视觉形状的大小变化的。这一现象只能是在大气层内发生的。下面我们对这一现象形成的原理进行分析推论。

一、平行照射的光线在透明球体内是能够发生折射聚集传播的

我们用一个圆球形玻璃瓶，装满水，做成一个透明圆球体，从瓶口放入一个带柄的物体；在视线的方向上沿球体的直径向前逐渐推进物体，在球体表面上观察到物体的视觉形状是逐渐扩大的。光线在空气与水两种介质中传播，是能够发生折射的；传播光线存在了折射，就存在了介质间的折射面，存在了分析折射过程中的法线。在透明球体表面上，每一点的受光面，就是这一点半径的切线面。半径的延伸线就是折射过程中的法线。当平线传播的光线照射球面时，有一条入射光线与球体的半径（即法线）重合，垂直于半径的切线面（即介质受光面）；在凸透体传光原理中，穿过光心的主光轴方向不变。在物理教科书中我们学过，“当光线垂直射向介质表面时，传播方向不改变”[1]。这就是透明球体内折射光线传播的主光轴。在主光轴两侧，光线的折射状况是对称的。从主光轴开始，透明球体半径的张开角每增加1度，半径切线的倾斜增加1度，入射光线的入射角增加一度，入射角等于半径的张开角；根据折射率N=SINӨ1/SINӨ2的比例，折射角Ө2随入射角的增加而增大；我们用入射角减去折射角，得到一个折射光线的偏转角，偏转角与折射角之合，是入射角的对顶角，所以，入射角的正弦与偏转角的正弦之比也是一个常数，偏转角随入射角的增大而增加，随半径张开角的增大而增加。

在透明体内，折射光线存在了向焦点聚集传播的趋势，便存在了凸透体的传光的原理，“当物体在凸透体的焦距内，观察到的是物体正立的、放大的虚像”，而且距离焦点越近，虚像越大，这就是物体在透明球体内视觉形状逐渐扩大的原因。

二、大气层在地球重力的吸引下，依附在地球周围，形成的是一个密度递减的圆壳形透明体

地球是一个圆球体，“地球表面大约71%被水面覆盖”，水是可以流动的物体，而形成在地球周围海洋里水的表面却是圆形的，这是由于地球重力的吸引作用才形成的。说明在地球周围半径相同（即海拔高度相同）的位置，地球重力的吸引作用是相同的。气体也是一种物质，是可以飘浮的物休，它同样接受到地球重力的吸引作用；在纬度相同，地球周围半径相同的高度位置，大气层中的气体是在相同重力的吸引下，随着地球的自转做匀速离心运动，根据向心力F向=mv/r2，当F、V、R相等时，大气层中相同体积里的气体质量M相同。在不考虑气温影响的情况下，大气层在地球周围形成的是一个密度递减的圆壳形透明体。特别是达到海拔高度8000米以上的高空，气温下降到零下三、四十度以下，在相同高度形成了比较稳定的气温层，气温的降低冷缩作用更增加了同一海拔高度位置气体的密度，大气对流层8至10千米的外围形成的形状，决定了大气层整体的受光形状。

表1

三、太阳辐射光线在大气层中的折射聚集传播

1折射“我们如果用肉眼在天空中选择一个450角的点，实际测量一下，只有220左右，而且越接近地面这个差值越大。

天空实际高度与天空视高度表”[2]（见表1）

我们在高中物理中学过“大气层对太阳光及其他星球射过来的光确有折射作用，天边恒星射过来的光最多偏转37分，天顶恒星的光线不偏转”。

2主光轴地球接受太阳光照的面是半球面，存在着光照直射的区域，在这一区域必然有一条光线与地球半径的延伸线重合，它垂直于地平面，垂直于大气层的折射面，在不存在折射的状况下，这条光线方向不变，在传播光线发生了折射的状况下，“当光线垂直射向介质表面时，传播方向不改变”，这就是大气层传光过程中的主光轴。“天顶恒星的光线不偏转”及天空实际高度与天空视高度表，都证明了主光轴的存在。在主光轴的两侧传播光线的折射状况是对称的。

3法线法线是垂直于折射面的直线。地球是一个圆球体，如果我们把圆周中的一点切开，拉伸成一条直线，圆的任一条半径都成为了直线的垂线。大气层依靠地球重力的吸引而存在，比较均匀的分布在地球周围。如果我们作一条地球半径的延伸线，半径在地球面的切线就是地平线，大气层的折射面平行于地平线，也就是垂直于这条半径，地球半径的延伸线就是大气层的折射法线，大气层折射传光过程中的主光轴的存在，也证明了设立地球半径的延伸线为法线是正确的。

从主光轴开始，当地球的圆心角每旋转增加1°，半径的切线（即地平线）的倾斜增加1°，平行照射的入射光线的入射角增加1°，折射光线的折射角及偏转角也将根据折射率N=SINӨ1/SINӨ2的比例，随入射角的增大而增加，这也就形成了太阳照射光线在大气层中的折射聚集传播。

4大气层对折射光线的偏转聚集传播视觉天空：观察插入水中的筷子，发现水中的筷子是弯曲的，由于发生了折射我们看不到水中筷子的实际位置，看到的只是形成在水面的筷子的折射位置。由于从真空射入的传播光线在大气层中发生了逐渐弯曲的折射，人们观察不到大气层外天体的实际位置，看到得只能是形成在大气层内最大折射程度上的折射位置。以能够发生明显折射的大气层的厚度为10千米来计算，地球的半径为6371千米，视天空球冠体的底半径为（6371+10）2-63712=357.12km，占地球圆心角为ta⁃nO地=357.1/6371=0.05605，O地=3.20。连接视天空头顶及天边的弦，形成一个半球冠体的三角形ABC，天边顶角为tanB=10/357.1= 0.028，B=1.60。

天空视高度的测量：在人们的视觉天空中、是以地平线为参照物，是相对静止的；是以主光轴为中心，背对背，反方向，面向测量物，实际高度低于视高度所做的测量。实际中，当太阳从地平线的东方升高，我们的视觉位置在西方，地球是从西方向东方旋转，地平线旋转1800，太阳在地平线的西方落下，地平线上早晨的东方和下午的西方共同指向一个方向——太阳。以主光轴为中心，视觉天空中的东方（上午），就是实际天空中的西方（上午），视觉天空中的西方（下午）成为了实际天空东方（下午）。以宇宙中的一点为参照物，地球每24小时均速旋转1周（3600），每小时旋转张开角150，从主光轴始，大气层折射面旋转倾斜，与参照物间所形成的夹角就是实际角度，实际角度等于900减去旋转张开地心角。我们在天空中选择的点M、就是入射光线在大气层中最大折射程度上的折射点。我们的测量点A就是折射光线的着陆点，视高度测量角为f,从测量点到折射点M在地平线上的距离为a，引M点在 AMB的高。a=357.1-b

如果我们用肉眼在天空中选择一个450角的点M，实际测量一下只有220左右。当实际角度为220时，这一点与地球横直径的夹角为220，光线以直线传播时在地球横直径的长度为X

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

光线以直线传播时在地球面上应有的角度N应等于地球半径与横直径长度X的夹角cosO=5916.46/6371 O=21.80=N在视天空中，如果视觉高度为N=21.80tanN=tan21.80=0.4时a=357.1-b

入射光线在直线传播状况下，视觉天空中，折射点与着陆点在地平线的距离a=23.28。占地心角tanO地=2.328/6371=0.00365 O地=12.5，

当测量角f=450时，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，

折射传播光线在地平线上的偏转聚集距离为23.28-9.69= 13.59km,地心角偏转等于12.5′-5.5′=7′。地角心所对应的半径在地球面的切线（即地平线）偏转7′。我们设置一个平面圆周，在圆周边上确定一点M，从M点引一直线，直线与M点半径切线的夹角为220，我们旋转圆周，使圆心角半径旋转张开角为7′，可以看到点M、M点半径切线、M点夹角为220的直线、都同时偏转7′。照射光线在大气层内的折射，使地心角偏转7′，等同于M点半径的切线，原地偏转7′，折射光线偏转角为7′。平行照射的入射光线的入射角等于900减去实际角度，实际角度为220时，入射角Ө1=900-220= 680，折射率为n=sin680/sin67053′=1.00086。

根据上述计算方法，得出不同实际角度位置折射光线在大气层中的偏转状况：（见表2）。

根据表2中折射率的数值得出大气层折射率的近似值为1.000967。

表2

四、结论：

太阳光照在大气层的折射传播过程中，“天顶恒星光线不偏转”，主光轴的存在是必然的；随着地球的转动，当光照在头顶垂直照射时，主光轴可以随时存在，主光轴就是法线，就是地球半径的延伸线。法线就是地球半径的延伸线。“我们看到大气层外的日月星辰，它的实际位置总要比我们看到的低，而且越接近地平线它的差值越大”，这就是无可置疑的，太阳光照在大气层中的偏转聚集传播。

根据测量的天空实际高度和对应的天空视高度，可以计算出地心角的偏转状况，每1′地心角所对应的地面弧长为6371×2× 3.14÷3600÷60′=1.852（km）折射光线偏转聚集，光照必然增强，这就是大气层内温室效应的主要原因。

由于大气层透明度的限制，夜晚能够在实际天空角度50闪烁的恒星已寥寥无几，当实际高度为50，入射角等于900减去50等于850。sin85/0SINӨ2=1.000967,SINӨ2=0.9962/1.000967=0.99523, Ө2=84.40。折射光线的偏转角等于实际角度减去折射角度为850-84.40等于0.60，折射光线偏转36分。

早晨当一缕阳光从地平线上升起，我们以实际高度为10计算，Ө1=900-10=890sin Ө2=sin890/1.000967=0.9998/1.000967=0.99883 Ө2=87.20。折射光线的偏转角等于890-87.20=1.80，地平线的偏转角度为1.80，说明在这一实际高度位置，我们在视天空内地平线上看到的太阳，实际位置在地平线以下0.80。

根据在不同角度位置折射光线在大气层内的偏转状况可以证明，密度递减的圆壳形大气层透明的传光原理，类似于透明圆球的传光原理，具有了凸透体的聚光功能。观察透明球体内物体的视形状可以发现，物体在焦距以内，看到的是正立的，放大的虚像，距离焦点越近，物体的视形状越大；“折射光线的传播路径是可逆的“我们的视觉位置在大气层聚光的焦距以内，由于球冠形大气层凸透体的天边顶角为1.60，在靠近地平线时，折射光线所穿过的大气层的厚度迅速增加，聚集功能增强，形成了太阳视形状在地平线附近，是正立的，放大的虚像。

太阳照射光线在大气层中是能够折射聚集传播的；存在了折射，便存在了视觉天空与实际天空角度的悬殊：存在了偏转聚焦传播，便存在了光照的增强；具有了凸透体的传光原理，就形成了人们视觉中太阳视形状的大小变化。这些现象是互相关联、互为证据的内在关系。

[1]2001年版初级物理教科书第一册第83页

[2]成都气象学院主编，农业出版社出版，1979年版《气象学》第233，234页。

王佃合（1965-），男，山东省临沂市兰山区马场湖镇九庄村，学历：高中，务农。