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望远镜为什么能“看到”风?

   在晴朗的月夜,将高倍台式(三脚架)的望远镜对准月球,有时,你会发现有一种奇怪的现象,那上面的山峰的细节,恍恍惚惚,以至有如望向波澜的水面下面的月亮。

   在很冷的冬季,当你打开窗户,望向近在咫尺的景物,有时你会发现,那些景物似乎也受到寒冷的影响,哆哆嗦嗦,看不清楚。

 
      望远镜知识与介绍
 

   并不是每个人都用过望远镜,但是日常生活中很多人一定有这样的经验:夏天最炙热的时候,柏油马路上被烤的热气腾腾。似乎整个世界也被烤软了,恍惚欲睡。

   这是为什么呢?要说这个,首先要稍提一下“光线的传播”。

   很多人在初中的物理课上就学过,当光线经过折射率不同的透明物质时,会发生弯曲。下面是一个大家都熟悉的示意图:

 
      望远镜原理
 

   几乎所有的光学镜片,都是利用这种现象,对光线进行加工,但是这种现象带来的影响,恐怕远比大多数人想象的要常见和宽泛的多。特别是在我们熟悉的空气环境中。

   空气有弹性,当温度升高的时候,如夏天的轮胎,里面的空气可能会受热膨胀而撑裂轮胎,而当温度降低的时候,它会变得紧密。

   当一个地方的温度高,空气膨胀,密度变小变轻,而升到高空,别的地方的空气会游过来补充。这会形成我们每天都遇到的风。

   如果仅仅是这样,那和望远镜一点关系都没有,我们也就不会说这些了。“遗憾”的是,我们的话题还要继续说下去:)——很多透明的物质,在密度改变的同时,对光线的折射率也会同时发生变化,也就是说,当压力或者温度的变化,引起空气的密度不同的时候,其对光线的折射能力也同时改变了。

 
      望远镜 看不清楚
 

   一架正在起飞的直升机,其旋翼对下方的空气的挤压,导致下面空气的密度、折射率改变,可以看到,通过其下方看过去的景物,变得模糊和变形。不过这种情况,在日常生活中并不多见。对我们来说,还有另一类更多见的情景:

   当大气层中出现冷热不同的气流的时候,也就是密度和折射率不同的空气的时候,对于光学方面,会有什么影响呢?

   我们来做个实验:与空气类似,水也是一种透明的物质,它对光线的折射率同样随着冷热、密度的变化而变化,我们用它来模拟空气中发生的情况。

 
      望远镜原理
 

   一只玻璃杯,里面有一些清水,透过它看去,就如同透过清澈而平静的空气。

   过了一会儿,一股温度不同(导致密度不同——对光线的折射率也随之改变)的水流涌了进来。我们用它来模拟空气中温度不同的气流。

 
      望远镜 效果
 

   你会发现,随着水内部出现了有温差的液流,透过这只玻璃杯看出去的景物,也发生了明显的弯曲和变形。这正是前面提到的,温度不同而导致密度不同的透明物质,折射率也是不一样的。而这种混杂着折射率不均匀的液体(气体),就如同哈哈镜一样,会扭曲经过的图像光线。

   这种冷热液体(气体)混合的场景现象,并不只在我们实验的玻璃杯中存在,在气候比较极端的冬天或者夏天,如果我们室内开着空调或者暖气,那么好动的小孩们经常会听到这样一句话“快把窗户关上,别让暖气(或空调的冷气)跑了”当我们打开窗户,室内温暖的空气会冒出去,而室外的冷空气会流进来。

   如果这个时候你正在使用倍数比较高的望远镜(如高倍台式观景镜),那么在打开窗户时,冷热空气交换的地方,会清楚地感觉到我们在玻璃杯中看到的情景——也就是在室内外空气温差比较大的时候,用望远镜通过打开的窗口这里看出去的景物,都会时而清晰,时而模糊,飘忽不定。有些经验比较丰富的望远镜爱好者,为这种现象起了一个名字,叫“窗口气流”:)

   当然,这种现象一般只在冬季室内有暖气,或者酷夏家中有冷气的情况下,打开窗户——而且是只有使用高倍台式(三脚架)观景镜时才能明显觉察——这是因为,倍数较高的望远镜,就如同放大器一样,在放大了景物的同时,也会将空气中的一些干扰因素带来的影响同样变得更加明显,以至于让我们轻易觉察。

   所以,实际上,并不是只有望远镜才能“看到”风,只是望远镜的存在,让我们日常生活中不明显的事物,变得更加明显,而更能引起了我们的注意。

 

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