日偏食出现诡异犄角 逆温层造就美丽蜃景

1 引言

2019年12月26日，正好适逢日偏食，希腊摄影师 Elias Chasiotis 于卡塔尔的 Al Wakrah 拍摄到了一组神奇的日出照，从画面里可以看见，太阳呈现暗红色的模样“半浸”在海平面之上。

因为日蚀的关系，太阳中间的部分就像是被切成一半，从远处看过去就像是一对恶魔放入犄角从海水中窜出。

亲眼目睹这壮观景象的 Elias 相当兴奋，更在个人主页中发文表示这是他有史以来看过最棒的日出。不久后，这组照片还被 NASA 选为“今日天文照”。

2 原理分析

在发生日偏食的时候，由于月球的遮挡，太阳呈现出月牙的形状。由于海面上方偶然会有逆温层出现，当太阳光掠过逆温层上方的时候，由于是从光密介质进入光疏介质，在入射角大于临界角的情况下，会发生全反射，逆温层此时宛如一个镜面，根据平面镜成像原理，逆温层下方对称位置上就出现了太阳的像。

3 逆温层成因

一般情况下，在低层大气中，气温是随高度的增加而降低的。但有时在某些层次可能出现相反的情况，气温随高度的增加而升高，这种现象称为逆温。出现逆温现象的大气层称为逆温层。逆温现象最常出现在冬春时节的早晨或傍晚。

逆温层的成因通常有一下几种情况：

A 辐射逆温

因地面强烈辐射而形成的逆温称为辐射逆温。在晴朗无风或微风的夜晚，地面因辐射冷却而降温，与地面接近的气层冷却降温最强烈，而上层的空气冷却降温缓慢，因此使低层大气产生逆温现象。辐射逆温一般日出后，逆温就逐渐消失了。

B 平流逆温

由于暖空气流到冷的地面上而形成的逆温称为平流逆温。当暖空气流到冷的地面上时，暖空气与冷地面之间不断进行热量交换。暖空气下层受冷地面影响最大，气温降低最强烈，上层降温缓慢，从而形成逆温。平流逆温的强度，主要决定于暖空气与冷地面之间的温差。温差愈大，逆温愈强。

C 湍流逆温

因低层空气的湍流混合作用而形成的逆温称为湍流逆温。当气层的气温直减率小于干绝热直减率时，经湍流混合后，气层的温度分布逐渐接近干绝热直减率。因湍流上升的空气按干绝热直减率降低温度。空气上升到混合层顶部时，它的温度比周围的气温低，混合的结果，使上层气温降低；空气下沉时，情况相反，致使下层气温升高。这样就在湍流减弱层，出现逆温。

D 下沉逆温

因整层空气下沉而形成的逆温称为下沉逆温。当某气层产生下沉运动时，因气压逐渐增大，以及由于气层向水平方向扩散，使气层厚度减小。如果气层下沉过程是绝热过程，且气层内各部分空气的相对位置不变。这时空气层顶部下沉的距离比底部下沉的距离大，致使其顶部绝热增温的幅度大于底部。因此，当气层下沉到某一高度时，气层顶部的气温高于底部，而形成逆温。下沉逆温多出现在高压控制的地区，其范围广，逆温层厚度大，逆温持续时间长。

E 锋面逆温

锋面是冷暖气团之间狭窄的过渡带，暖气团位于锋面之上，冷气团在下。在冷暖气团之间的过渡带上，便形成逆温。

4 成像光路

在几何画板软件中，微主利用光的反射定律对上述成像过程进行了还原，发现利用光的反射原理绘制的成像形状与拍摄画面完全吻合。

太阳部分在水中

太阳部分在水中

太阳刚刚跃出水面

虚像超出可视范围

5 心得

此次探究，仅仅是利用了几何画板的初级功能，就运用光的全反射原理做出了日偏食景观经逆温层反射所成的需像，日偏食和它的反射虚像在逆温层可视范围的裁剪下，呈现出了十分诡异的图案。

其实，逆温层反射成像现象在高中物理中并不陌生，沙漠中之所以常常出现海市蜃楼，正是地面在阳光照射下升温，使地表空气温度升高，形成逆温层所导致的。

其实，这种现象很是常见，下图就是网友在海面上拍摄的太阳日出时的照片，可以明显地看到，太阳底部也有一个与它几乎相切的等大的太阳的像。

逆温层反射成像也很常见，只不过这种现象与少见的日偏食结合在一起，而且时间还必须限定在日出或日落时分，这就十分罕见了。

有诗为证

探秘海上犄角有感

张怀华

沙漠里面寻常见，海平面上几度闻；

只因日食不易得，晨夕瞬间难觅寻。

| 创客焦作 | 

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