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为什么在火或者起飞的飞机旁边的背景总是动荡模糊的呢?

来看图!

因为在火源的附近,被加热的空气和周围的冷空气形成对流,由于温度不同的空气密度不同,折射率也不同,从而产生折射率不均匀的区域(或者说,具有折射率梯度的区域),将通过这一区域的光线偏折。这样,人眼透过被扰动的空气看到的景物就会产生扭曲。而由于气流是在时刻变化的,因此看到的经过扭曲的图像也就随着气流而变化,景物就变得动荡模糊。而起飞的飞机周围则很大程度上是由于飞机高速运动对空气扰动所产生的空气密度变化。

利用透明流体中的流动能够产生折射率梯度的性质,我们可以将气流或者水流可视化地记录下来。这种特殊的摄影技术称为纹影法(Schlieren photography),最初被发明是用来记录超音速飞机飞行时产生的气流的。下面两张图分别是纹影法记录下来的点燃的蜡烛和超音速飞机周围的气流。

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By Settles1 - Own work, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=5253494

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By NASA \& amp; US Air Force: J.T. Heineck / Ed Schairer / Maj. Jonathan Orso / Maj. Jeremy Vanderhal - https://www.nasa.gov/centers/armstrong/features/shock_and_awesome.html, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=42766676

有时候人们不希望拍到的图像受到气流的扰动。比如,天文学家在地面上的望远镜透过厚厚的大气观测宇宙中的星体时,由于大气中时时刻刻存在变幻莫测的冷热对流,观测到的图像就会产生抖动,影响观测质量。这也是为什么“天上的星星会眨眼睛”。因此在天文台科学家们使用一种叫作自适应光学系统(adaptive optics system)的设备,拍下星星一眨不眨的严肃照片。

笔者曾经听过在夏威夷的双子星天文台工作的科学家介绍他们的这种光学技术。通过发射穿透大气的激光束,人们可以利用类似于医用CT的方式从接收到的反射中获取大气扰动的信息。再根据这些信息对大气流动进行三维建模,再根据这一模型调整望远镜成像系统中一组精度非常高的可变形的镜子,就可以消除掉人们不想要的扭曲抖动。由于大气每时每刻都在变化,在一秒钟的时间内,这样的修正会重复大概1000次。下图就是夏威夷的双子星天文台向着北斗七星的中心发射修正用的激光束的照片。

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图源:Gemini Observatory