霧虹

生活科學趣談

影片28秒「太陽必須剛剛好貼近地面」有誤,因為圖中霧虹左右兩端與地面並非正交。我猜測這句話可能是引用中文維基〈霧虹〉所提及的「太陽需貼近或低於地平面」,”低於地平面”代表太陽還沒升起^^

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其實陽光以其他仰角入射於濃霧中也能形成霧虹

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只不過太陽若是以低仰角入射時,通常在霧虹圓心周圍還會伴隨發生”觀音圈”現象

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接著來瞭解霧虹的成因,雲霧之所以呈現白色是由於米氏散射的機制。在濃霧中行車視線不良,就是因為觀察者與物體之間的霧滴散射了從物體表面反射過來的所有色光,因而觀察者無法清楚分辨前方車體的輪廓,直白的說法就是「霧滴的散射光遮掩了前方車體,使得背景模糊不清」,這就類似雨天時隔著佈滿水霧的車窗玻璃會看不清楚外界物體一樣。因此透過濃霧來看遠處的彩色物體時,色光穿過濃霧就會彼此混合,因而形成灰濛濛的景象

不過這樣的解釋不夠精準,因為雨過天青的彩虹藉由水滴卻能形成顏色鮮明的七彩色澤,所以彩虹與霧虹的色澤差異應該是「水滴顆粒大小」所造成。也就是雨過天青時,如果背對陽光處的遠方仍在下雨,由於這些能形成彩虹的雨水水滴比霧滴顆粒大的多,所以當光線進入大顆粒的水滴時會遵守幾何光學的折射與反射原理,其離開水滴時的角度就非常明確,從而產生色澤分明的虹與霓。但是雲霧之所以能持續漂浮著,就是因為霧滴的顆粒小(如同細懸浮粒子會比懸浮粒子飄得遠),其粒徑只有數十微米(註:普通雨滴的大小約1000~500微米)。在高中物理的圓孔繞射實驗中,針孔孔徑為100 μm時就能產生很明顯的繞射圖樣,因此粒徑數十微米的霧滴就不能忽略其繞射效應了。下圖則顯示出當水滴大小從12微米 → 800微米時,白色的霧虹是如何轉變成彩虹(資料來源:www.atoptics.co.uk

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下圖則是以綠光為例來說明加入繞射效應後的光路變化

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這篇文章〈Fogbow formation〉大意是說:單一色光從霧滴射出後,由於其偏向角度並不固定而是一個範圍,因此各色光射出後就會混在一起而形成白光。不過,由於繞射並無法使用幾何光學的光路來解釋,因此這樣的解釋還是不夠精準,有興趣進一步了解其形成機制的朋友可參考這篇→〈Rainbows and fogbows

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