神秘的新地島效應

生活科學趣談

北方海路(東北航線)是指沿俄羅斯海岸線往返太平洋與北冰洋之間的海上交通線,早期一些北歐國家曾對航線的西段進行探測以尋找到印度和中國的另一條路線。當中最引人注目的是 1596 年由荷蘭航海家 Willem Barentsz 率領的探險隊,他發現了熊島和斯匹次卑爾根島,並繞過了新地島的北端,2011年荷蘭首部3D電影《新地島》即描繪了這次冒險過程

由於船隻被困在浮冰中,探險隊被迫用船上的木材建造了一個避難的安全小屋,藉以度過嚴寒的冬季和永夜

1597年1月24 日,負責寫日記的船上木匠 Gerrit de Veer 聲稱已經看到太陽出現在地平線上方,距離它應該返回的時間整整提早兩週。剛開始其他船員對此表示存疑,直到3天後的1月27日,所有船員都看到了太陽的全貌才印證其所言不虛。由於當時對高緯度地區的大氣折射了解有限,如此長的誤差時間一直被世人懷疑,因為這與航海年曆所提供的折射表格之數據差異過大,認為 Gerrit de Veer 一定是數錯了天數,或者使用了錯誤的日曆。直到1915年 5 月 1 日,極地探險家 Ernest Shackleton 和 Endurance 船員們被困在南極威德爾海冰層的第四個月時,該船領航員宣布太陽將在接下來的 70 天內從天空中消失。但是在 5 月 8 日,奇怪的事情發生了,太陽再次出現,而且接連出現好幾次。像 Ernest Shackleton 這樣的的佐證報告,以及在 2003 年使用當代大氣數據進行的光線追踪模擬,才證明了Gerrit de Veer 的紀錄正確無誤

簡略的計算過程:
太陽提早14天出現,也就是在不考慮大氣折射情況下, Gerrit de Veer 紀錄此神秘事件後的14天太陽才會露臉。由於陽光直射赤道至直射北回歸線的天數是 365/4,因此這14天太陽將爬升 [14÷(365/4)]×23.5°=3.6°。弧長=半徑×圓心角=新地島距地心距離6363公里 × 3.6° ×(π/180°)=399.8公里。這個400公里是【太陽14天前出現在地平線的位置與新地島相隔的距離】,也就是光線沿著地表至少得彎曲400公里才能照到新地島。

這意味著地表附近是光密介質而上空是光疏介質,也就是上空的大氣溫度較高,光速較快,光線在前進時才會向下彎曲。這種逆溫現象的水平區域至少要400公里,這樣才能讓陽光隨著地球的曲度彎曲行進400公里,方能讓在新地島海平面以下 3.6° 的太陽盤面被抬升至海平面位置而被 Gerrit de Veer 觀察到。這種日出時太陽升起得比它實際上的時間早,或是日落時太陽落下得比它實際上的時間晚,此現象稱為 新地島效應。這是北極地區的冷空氣在數百公里內保持獨特的穩定狀態,形成了氣象逆溫的特殊實例,這種扭曲足以使光線彎曲4~5度,進而產生極地的海市蜃樓

我在課堂上曾問過學生這個問題:請描述太陽西下時的形狀,大部分學生皆能說出「左右較寬而上下較窄的扁橢圓」之正確答案。然而在不考慮多個影像堆疊的複雜蜃景條件下,其實較精確的答案是「上方曲率較大而下方曲率較小的包子形狀」(請思考為何如此?)

下則影片則是在真實的太陽盤面已經在地平線下的4分鐘時仍然可見

影片2分鐘處出現的”矩形太陽”是多個影像堆疊的 複雜蜃景

有興趣瞭解其背後機制的朋友請參考這篇 → Optical Phenomena of Ducts

延伸閱讀

綠閃光