星星為什么會眨眼

王美崢 侯恕

摘 要：滿天繁星，忽明忽暗，像是在向我們“眨眼睛”。在物理學中，如何解釋“星星眨眼”這一現象呢？天文閃爍這一現象具有什么樣的特點，以及引起天文閃爍的原因，是本文探討的重點。

關鍵詞：閃爍；折射；湍渦

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2016）10-0054-2

夜晚，仰望星空，我們常常會看到天邊的星星向我們眨眼。將視線收回到地面，看到遠方的燈光會忽明忽暗，上下左右顫動。這些都是由于光線通過大氣層后發(fā)生折射所產生的現象。這些現象統(tǒng)稱為閃爍。

1 閃爍的特點

由于我們所觀看的目標物不同，閃爍會具有不同的特點。對于目標物是一個點狀光源來說（如恒星），閃爍會具有以下一個或幾個特點：

（1）視方向的擺動，亦即它的位置不固定，忽左忽右，忽上忽下。

（2）視強度的振動，亦即它的發(fā)光強度忽明忽暗。

（3）顏色的變化，亦即白色的光會轉變成某種色彩，并且瞬息變換。[1]

根據光源的來處，閃爍可能會分為天文閃爍和地面閃爍兩種。反射從宇宙空間中來的光源，經過大氣折射作用而產生的閃爍現象叫做天文閃爍。很顯然，我們要探討的“星星眨眼”現象就是天文閃爍現象。天文閃爍以恒星眨眼現象最為常見。恒星在地平線上的高度角愈小，閃爍的強度愈大。

公元一世紀，托勒密就認為“靠近地平線的恒星比天頂的恒星閃動更強?！碧煳膶W家刻卜勒首先發(fā)現恒星閃爍時顏色有變換。我們已經明確了星星眨眼是天文閃爍現象，那么閃爍現象是怎樣產生的呢？

2 閃爍產生的原因

關于這個問題的研究持續(xù)了很久。一開始，有人認為看到“星星眨眼”是人類肉眼的缺陷。之所以看到群星閃爍，是由于視覺過度疲勞，眼花繚亂導致的。有些天文學家認為，恒星以非常高的速度繞自己的軸心轉動，因此忽而以光明面，忽而以黑暗面朝向觀察者，所以看上去有閃爍現象。

偉大的物理學家伽利略和刻卜勒則認為恒星的閃爍是他們的光度發(fā)生變更的緣故?，F在的科學家認為無論天文閃爍還是地面閃爍都是由于大氣的不規(guī)則折射形成的。大氣中的不規(guī)則折射來源于大氣湍流。湍流就是空氣中流動的大小不同的旋渦，又名湍渦，其大小范圍從幾十厘米到上千米。湍流對光的傳播的影響本質上是改變了光波的原始波陣面，使之發(fā)生畸變。湍流對光的另一主要影響是在觀察平面上產生了光照度的起伏，這是由光程差和不均勻衍射共同造成的。當光線在湍流大氣中傳播時，光波的波陣面便發(fā)生無規(guī)則的變化。（圖1）

如圖1所示，當波陣面出現凹面S時，S前方A處的光線是聚合的，光強增大；當波陣面出現凸面T時，T前方B處的光線是發(fā)散的，光強減弱。如果我們時而觀察到A的情況，時而又觀察到B的情況，就會看到光源強度的閃爍[2]。

湍渦的存在使光線發(fā)生無規(guī)則折射，來自星體的時而從這一方向進入觀察者的眼中，時而又從另一方向進入觀察者的眼中，這就形成了星體位置擺動的閃爍，即“星星在眨眼”。

3 “星星眨眼”的應用價值

“星星眨眼”這種天文閃爍現象是由于大氣的不規(guī)則折射形成的。因此，閃爍現象與大氣的物理狀況有密切關系。光線在大氣中的折射是由各氣層的不同密度而決定的，空氣密度的變化又與各高度的氣溫有關。所以，折射與各高度的氣溫有關。當氣溫垂直變化大時，暖氣流容易上升，冷氣流容易下沉。[3]當暖氣流上升時，這一部分上升的暖空氣的密度必然比周圍同高度的自然大氣的密度小。當冷空氣下沉時，這一部分下沉的冷空氣的密度必然比周圍自由大氣的密度大。因此，當氣溫垂直變化大時，由于冷暖氣流的垂直移動，使空氣中的密度時刻改變，折射作用加強，閃爍現象變得特別明顯。

閃爍與天氣的關系既然如此密切，我們就可以根據閃爍現象的強弱來預測天氣了。例如，我國古代詩詞田家五行中就有這樣的詩句“星光閃爍不定，主有風。”

星星向我們“眨眼睛”，是想向我們透露天空的秘密，自然的神奇。希望在后續(xù)的研究中探索更多星星閃爍的秘密。

參考文獻：

[1]周淑貞.大氣光象[M].上海：上?？茖W技術出版社，1982：97—98.

[2]胡波.大氣光象研究[M].西安：陜西科學技術出版社，1993：104—105.

[3]R·格林勒.虹·暈·寶光[M].北京：氣象出版社，1984：134—135.