读诗谈天象 | 大气造成的天文现象（上）

初升的太阳

地平线附近的星星都去哪了？

南宋时期的文天祥是大家熟悉的民族英雄，他写了一首响彻云天的七律，即他的绝命诗《过零丁洋》。这首诗被万世传颂，我们以对前贤的景仰崇敬之情，恭录如下：

辛苦遭逢起一经，干戈寥落四周星。

山河破碎风飘絮，身世浮沉雨打萍。

惶恐滩头说惶恐，零丁洋里叹零丁。

人生自古谁无死？留取丹心照汗青。

第二句“干戈寥落四周星'，比喻当时抵抗蒙古人的义军寥寥无几，犹如四周地平线上的恒星一般稀少，以致他的抗敌部队几乎是孤军奋战。你可知道这一诗句里蕴含着一个天文现象吗？当天气晴朗繁星满天之际，地平线上的恒星却显得稀稀拉拉，与抬头一看放眼望去的满天星斗形成鲜明对照。隐藏背后的原因是，在整个天空中地平线上方恒星的光线通过大气的路径最长，大气的消光作用很强，一些稍暗的如六等、五等星，甚至四等、三等星都被大气“拦截'了。

图1 民族英雄文天祥

据实际测量，天体从头顶降到地平附近，星等的减弱约3等。

大气为我们加了“滤镜”

我们在前面（“读诗谈天象之二'）已经简略地介绍过大气消光，这是来自天体的光线经过地球大气以后强度减弱的现象，由吸收和散射两种机制构成。

光线进入地球大气层，光子的能量会有一部分传递给大气中的分子和原子，转化成其他形式的能量。这是大气吸收，不过这并不导致显著的天文现象。

大气散射则不同，它造成的现象实在显眼。还是让我们通过读诗来更详尽地了解大气的散射效应。请读公元前七世纪著名古希腊女诗人萨福的诗《繁星在明月身旁》：

在那美丽可爱的明月身旁

繁星纷纷褪色而藏起面庞，

只因满月升起，把整个天宇

注满了银光

这首诗的前两句，提出现象，在明月旁边的星星显得暗淡无光，后两句说明原因，由于月光太亮掩盖了星光。读者诸君中许多人作为天文爱好者肯定都认过星，为此必须找一个晴朗的无月之夜，避开月光对星光的遮掩。可谓“月明星稀”已经成了大家的常识。

图2 细心的读者应当不难发现，在摄影作品中也能够反映出“月明星稀”这一常识，当月亮与繁星同现一幅作品中时，通常都是蛾眉月。

我国宋朝的开国皇帝赵匡胤在黄袍加身之前曾是坐镇一方的节度使。据说有一次他与部下一起喝酒吟诗，以太阳为题材。他不满意部下的平庸之作，即席吟咏了一首，充分显示了他“坐地为王”的王者气势，请看他的《咏初日》：

太阳初出光赫赫，千山万水如火发。

一轮顷刻上天衢，逐退群星逐退月。

好家伙，太阳一出，光芒万丈，不仅令群星隐匿，连光掩众星的月亮也黯然失色，悄然退隐了。太阳出山，月亮退隐，也正切合我们系列里主角的转换。

这些都是我们在地面上看到的现象。人们看惯了地面上的弱肉强食，可是看来天空中竟然也出现了“弱肉强食'！其实，当你脱离地面上了天，在大气层外的人造卫星上向舷窗外望去，尽管明月当空，仍繁星点点，星星不论其亮度如何，都仍然不减光辉。即使太阳升起，也“无所施其技'，既不能“逐退群星'，也不能“逐退月'。在大白天，天空失去了蔚蓝色，背景漆黑一片，犹如一张黑天鹅绒的大幕。太阳和明月好比两个亮晶晶的白玉盘悬挂在空中，而星星就像颗颗光灿灿的珍珠四散点缀，它们都能同时出现在天空上。这才是避开大气层后真正的天空景象。地面才是弱肉强食的渊薮！

地球的大气层为生活在地面上的我们制造了一幅多么不同的景象。夜晚的月光也好，白天的阳光也好，在进入大气层后都被散射，散射光照亮了整个天空使整个天空一片明亮。太空中的阳光和月光不受这些制约。就阳光和月光通过大气时的散射现象，我们曾经在前面做过这样的简单介绍：“光通过密度或折射率等不均匀分布的介质时，除在光的传播方向外在其他方向也可见到光。'其原因就在于光在传播过程中与大气中的分子和原子以及尘埃相作用而改变光强的空间分布。概括起来简单地说，光的散射是一束向一个方向入射的光在介质中向四面八方散开。朝向太阳（或月亮）的半个地球上的大气受到阳光（或月光）的照耀，光在遭遇大气中的所有分子时都可能产生散射，光线射向四面八方，所以整个天空充满了散射光，显得十分亮堂。

大气中充满分子和原子，它们是比可见光的波长小得多的微粒。当光线与它们接触而发生的散射称为瑞利散射，这时散射光的光强与入射光波长的4次方成反比。由此可以很好地解释天空的蓝色和落日的红色。大气中还悬浮着大量尘埃和水滴的颗粒，它们的尺度比光的波长要长。这些大粒子的散射称为米氏散射，规律与瑞利散射不同，散射光强大体上与波长的1.3次方成反比，而且不同方向强度的分布不同，粒子尺度越大，入射光前方的散射光能增加。这可以说明天空中的白云。

光污染——天文观测的一大挑战

城市的大发展使城市上空充满了城市灯光的散射光。散射光非常强烈，以至于严重影响建在城市中或城市郊区天文台的光学观测。这种现象得到了一个名副其实的名称：光污染。生活在大城市里的天文爱好者恐怕对光污染都有“切肤之痛'。例如，即使在晴朗的夜晚，大城市里也很难进行认星活动，甚至连亮达二等的北极星都难以辨识。

在世界天文学史上，曾经有一段由于抑制了城市光污染而促进了天文新发现的佳话。德国天文学家巴德在第二次世界大战前来到美国，并已取得美国国籍，但不慎丢失了美国国籍证件。第二次世界大战爆发后，德国成了美国的敌国，他因为缺失证件而被视为“敌侨'，行动受到种种限制，只准在威尔逊山天文台一带从事天文学研究。当时，为了防止日军飞机的偷袭，离威尔逊山天文台不远的洛杉矶和帕萨迪纳等城市实行灯火管制，一到夜晚威尔逊山天文台周围方圆几百千米范围内一片漆黑，给天文观测带来极为有利的条件。由此巴德获得了悉心研究河外星系的空前良好的时机，用当时世界上最大的胡克望远镜（口径254米）拍摄河外星系的照片。他对仙女星系及其伴星系M32和NGC205进行长时间的曝光，获得了像质极佳的底片。

图3 仙女星系及其伴星系M32。摄影：R. Gendler

在这些底片上，不仅仙女座大星云的边缘部分以及M32和NGC205星系被分解成恒星，而且连仙女座大星云的中心部分也被分解成了恒星。巴德深入分析这些恒星，将它们区分为截然不同的星族Ⅰ恒星和星族Ⅱ恒星。星族Ⅰ恒星主要分布在旋涡星系外围的旋臂区域，它们是比较年轻的恒星，而星族Ⅱ恒星则是年龄较老的恒星，它们主要分布在旋涡星系的中心区域。巴德把这一发现应用于银河系，发现银河系内的恒星也应分为两个星族，并确定了它们各自的分布。这一发现在恒星物理学、天体演化学、星系学和宇宙学上具有重要意义气。

大气让影子变得不同

地面上有许多场所是阳光不能直接照到的，例如家里背阳的房间，或者在地面上背阳地方阳光投射出的影子底下，但仍然能相当明亮。尘埃是令人讨厌的东西，大量地飘浮在空气中，恰恰在这一点上也有它们的一份功劳。正是空气中的分子和尘埃，通过散射把阳光引向这些阳光不能直接照射的场所。

图4 月面山峰的影子漆黑一片

在地球上影子下没有阳光，但由于大气散射光照射到阴影区域，那里也不是完全暗黑。可是到了月亮上情况就完全不同了，月亮上没有大气，阳光照射到月面没有散射。直接照射到的地方非常明亮，若在影子底下则绝对漆黑一片。如果我们到月亮上去玩捉迷藏游戏，那么你只要往随便哪个影子底下一钻，就谁也看不到你了。

注：《咏初日》一诗存在不同版本，现给出另外一个版本以供参考：太阳初出光赫赫，千山万山如火发。一轮顷刻上天衢，逐退群星与残月。

责任编辑    李时雨

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