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Q:下雨天為什麼會常出現閃電?閃電是怎麼形成的?
A:
我們都知道,當天空中出現一大片的烏雲,就表示快下雨了!烏雲裡有正、負電荷,正電荷在雲的上端,而負電荷則在下方吸引著地面上的正電荷。原本雲和地之間的空氣成了絕緣體,讓兩極電荷均衡的電流通過。但當兩極電荷的電壓大到可衝破絕緣的空氣時,彼此會相互吸引而達到中和,放出火花,並且會產生強烈的光,這就是我們說的閃電。
Q:下雪的時候比較冷,還是雪溶化的時候比較冷?
A:
每當寒流來臨,大家總是期待著高山會不會降雪?!下雪的條件除了低溫外,還需要足夠的水氣,所以在下雪時,天氣一定是十分的寒冷。當積雪開始有溶化的現象,因為固體要溶化成液體時,必須從空氣中吸收熱量,這時候,氣溫就會降得更低。所以,雪溶化的時候比下雪時更冷!
Q:彩虹為什麼是圓的?
雨後經常可以看到的彩虹,是因為空中飄浮的小水滴就像一個個的球形透鏡,陽光射入水滴後,經過折射、反射再折射出來,進到我們的眼睛。本來的白光進入水滴後,會像牛頓的三稜鏡實驗一樣,因為折射而分成不同的色光,所以彩虹才有不同的顏色。
但是如果空氣中佈滿水滴,為什麼我們只看到一道彩虹,而不是到處都有彩虹呢?這是因為光線入射水珠的位置,只有一個角度會讓折射出的光線強度最大(見圖A)。這就是解讀彩虹現象的最基本原理:入射光和眼睛見到色光的視線間有一個固定的夾角。
因此,並不是只有空中某些特別的水珠會產生彩虹,而是只有在特定角度的水珠所折射出來的色光才能進到我們的眼睛。這個角度和不同色光的折射率有關,例如紅光的折射率較小,夾角較大(約42°13');反之,紫光折射率小,夾角就較小(約40°30'),這就造成紅色在上、紫色在下的彩虹。
因為陽光是平行入射,由上述原理和「平行線同位角相等」的定理,進到眼中的色光會因為空氣中的水珠層厚度的增加而加強,這就是為什麼大雨後的彩虹較清楚、小雨後的較淡薄的原因。
由於基本原理中固定夾角的限制,當太陽在我們頭上時(例如正午),折射的光線進不到眼睛,所以看不到彩虹。必須到約下午4點以後,彩虹才會在山巒或城市的天際線上出現,而且隨著時間越接近傍晚,彩虹的位置會越高,這也是基本原理的應用。
根據同樣的原理,考慮以通過眼睛平行於入射陽光之直線為轉軸,旋轉在你眼中造成彩虹的入射光線,這時進到你眼睛的折射色光,會轉出一個圓錐面。如果入射光不平行於地面(例如下午4點時),這個圓錐面投射到我們眼裡,看起來只是一段短圓弧。但是到了傍晚陽光平行於地面時,我們眼中的彩虹,就幾乎是正半圓(見圖B)。關於如何利用微積分推導彩虹基本原理,可參看下述網頁:http://episte.math.ntu.edu.tw/articles/mm/ mm_13_2_15/index.html。
大家記憶裡最深刻、最令人讚歎的彩虹,都發生在大雨後的傍晚,顏色分明的一道彩虹,圓圓高掛在天邊,從一座山跨到另一座山。看過上面的說明,讀者應該能夠自行解釋了吧。
彩虹是非常有趣的哲學對象,既不真的存在於外界,也不只是人類心靈的想像,它是主客互動的產物。下次和友人看到彩虹時,請記得你們共享的是空靈大氣、好風好雨;至於彩虹,是無法共享的。
轉載自http://sa.ylib.com/circus/circusshow.asp?FDocNo=491&CL=8
Q:地表上的臭氧,可以填補大氣中的臭氧洞嗎?
美國航太總署噴射推進實驗室的薩拉維區(Ross J. Salawitch)回答:大氣中,臭氧(O3)濃度的高低是相對的,在大氣最底部的對流層,臭氧濃度太高會造成危險,而在對流層上方的平流層,臭氧濃度太低也會造成危險,此外,地表的臭氧也不足以補充我們所稱的臭氧洞。而且,臭氧濃度主要由局部的化學反應來調節,對流層與平流層之間的溫度差就像是一個屏障,會阻止臭氧跨越到另一層、產生大規模的混合。
平流層臭氧能夠阻隔陽光中的有害紫外線輻射,不過,對流層的臭氧濃度升高,可能導致人類的健康問題、造成農作與森林損失。大氣中的自然過程會不斷製造、消耗臭氧,在平流層,陽光的紫外線將氧分子(O2)分解成兩個氧原子,分解後的氧原子會和氧分子再結合,形成臭氧。
有些工業污染物可以抵達平流層,例如氟氯碳化物(CFC),因為它們在對流層不會發生化學反應。在平流層中,氟氯碳化物被分解成小分子,像是氧化氯(ClO),氧化氯會消耗臭氧,把臭氧變回氧分子。
平流層的臭氧濃度通常是400杜柏生單位(Dobson Unit,簡稱DU,這是臭氧濃度的標準單位)。每年春天,南極極度寒冷的氣候足以導致化學反應,產生高濃度的ClO,摧毀臭氧。在南極臭氧洞,臭氧濃度可以低到85DU。
對流層的臭氧濃度通常在25DU左右,但隨著各地的情況不同,臭氧濃度還是會有大幅的變化。對流層中,陽光的紫外線濃度非常低,因此天然的臭氧製造效率很低,而化石燃燒、生質燃燒等人類活動,會使一氧化碳、碳氫化物、氮氧化物的濃度升高,這些氣體都會參與製造對流層臭氧的一連串反應。
蒙特婁公約已經禁止製造氟氯碳化物,未來50~100年內,平流層臭氧應該可以恢復原狀。人類正在努力研究排放量管制策略,把對流層臭氧控制在不至危害健康的濃度,這些嘗試因為全球工業化而面臨更多挑戰,而且影響對流層臭氧的污染物不只來自當地的排放源,位於上風處的其他國家、甚至其他大陸的排放源也會影響遠處的臭氧濃度。
轉載自http://sa.ylib.com/circus/circusshow.asp?FDocNo=1071&CL=8
Q:星星為什麼會閃爍?
A:地球的大氣層是動盪不安的,氣流與渦流隨時都在形成、擾動、與消散之中。這些流變就像透鏡與稜鏡一樣,會讓星光的位置每秒種些微改變好幾次。但像月亮這麼大的物體,這些偏移會平均掉(但若透過高倍望遠鏡,這些物體好像會閃閃發光)。反之,星星的距離要遠得多,形同點光源,所以星光快速地左右偏移,亮度就會跟著閃爍不定。