自然界中的光现象和成因分类

作者：韩柏光 广州朗文光电有限公司

关键词：自然光 光现象 视觉 色散 切割 反射 折射 干涉 衍射

（编者注：本文是一篇光现象的普及文章，相对于以建筑为主体的自然光环境研究，本文着重于展示自然光现象的一面。希望读者读完以后可以区分光现象和自然光环境等几个关键词，以及知悉自然界中生物视觉范围内的光现象。）

概述：本文把自然光现象和建筑等专业中研究的自然光设计区分开来，并尽可能贴近科学地对一些自然光现象做了分类，并结合图片对多个自然光现象进行了阐述。

（以下为正文）

在人类发展的历史长河中，许多光的形态和现象逐渐沉淀下来，变成了文化中的一部分，其中不乏以最强烈精神纽带的形式存在，即宗教信仰和图腾，与民俗和文化相关的更是数不胜数。随着工业革命后时代的到来，尤其是建筑与景观设计产业的发展，国人所接触到的光形态和文化的形式越来越多，越来越复杂，设计界各个领域的分支对光和建筑、景观、文化的相关关系越来越深入。尤其是在现代的建筑设计产业中，自然光在建筑设计中正被越来越多地关注，自然采光和人造光源照明，均以健康，舒适，美观和节能等等为目的被研究。

然而设计界的同仁往往会混淆几个词，光环境，天然光设计，自然光现象，色环境。

光环境是相对于建筑和空间而言的，光环境与色环境、质环境等并列都是建筑空间的组成部分。对建筑物来说, 光环境是由光照射于其内外空间所形成的环境。因此光环境形成一个系统, 包括室外光环境和室内光环境。光环境是在室外空间由光照射而形成的环境。它的功能是要满足物理、生理 (视觉)、心理、美学、社会(指节能、绿色照明) 等方面的要求。色环境是在室内空间由光照射而形成的环境。它的功能是要满足物理、生理(视觉)、心理、人体功效学及美学等方面的要求。

天然光设计的任务是在建筑中引入天然光，这天然光可以是日光，也可以是月光星光，主要对象是非人造的光，其目的还是为建筑空间服务。

自然光现象指的是自然界中生物本身视觉能力看到的自然界中的光的普通和特殊的光形态。有静态的，动态的。自然光现象区别于色环境，前者以光为主体，后者则主要指的是受照射物体的色彩和形态，所以视觉上看到的“物体漫反射产生着色”现象不包含于自然光现象的范畴。

本文写作有两个前提，前提一是：生物的眼球直接感受到的视觉现象会因为生物眼球中的感光细胞的不同会有所区别，本文所阐述的自然光现象是以人类的视觉为标准参考的。人类感官收到外部世界的总信息中，至少90%以上通过肉眼，所以以人类视觉为中心的对自然光现象的详细研究有利于人类认识自身所存在的世界。

前提二是：自然是相对于人工而言的，所以不是人类参与或干预制造的生物视觉的光现象都属于自然光的范畴，当然，这里指的是不需要经过放大镜或者其他更先进设备，只是实际肉眼本身可见的光现象。

一般常见的自然光现象通常是由来自太阳或月球的光与大气、云、水、灰尘、和其他粒子相互作用。一个常见的例子是彩虹，是来自太阳的光被水滴折射和反射形成的。

自然光现象不严格区分其归属于几何光学或者物理光学范畴，只以实际视觉为中心。涉及到的光现象可能与以下术语有关：遮挡物，影子、波长、颜色、扩散物、反射面、折射物质等，下文的分类以形成现象的主要原因进行。

1.光的定义

光线是一种电磁波，同时具有粒子性质，光有波长和折射率，散射，反射，有衍射和绕射，有干涉。

根据物理学的阐述，光线带有一定能量，波长越短，能量越高。高能量光线被“双键”等特殊化学键吸收，再由高能态转入低能态时发出自身特征波谱光线得到的光也作为光的来源。

在生物视角中的光现象与各种物质对象有关，同时还与时间，角度，距离等非物质对象有关，以下图为例：

图：影响自然光现象的各种元素

高空中存在的日月星辰，空气中存在的气体，各种尺寸的水汽和各种尺寸的颗粒物，地平面上的山体、天际线、植物、动物、微生物、以及水体、水面上的油层等等都是形成自然光现象的各种因素。

水元素是对光学现象影响巨大，水元素在各种尺度上对光作用，产生了缤纷复杂的视觉效果，高空有细小的水珠和水雾，地面有水平如镜，有水面粼粼，有水拍岸，有浪打浪，水面膜层等等，具体形态更是数不胜数，由于水的形态过于多样，产生的光视觉无法一一列出本文只选出了每个类别特征性的光现象。

2．光的来源

一般光源指的是本身发出光线的物体，此处“光的来源”区别于光源，指的是肉眼可见的发光的物体。

为了避免内容过于庞大，本文中光的来源不使用色环境中的素材，即一般因为受到光照而显示出颜色的物体，不作为光的来源进行阐述，亦即把“漫反射”部分形成颜色等现象省略了，颜色部分的内容在其他多个学科已经被详细介绍和研究。

反射发光的物体即可作为光的来源。也就是说，在视觉效果上，星星和月亮，猫的眼睛均作为光的来源。

2.1核聚变产生的光

l         太阳光

这种光来自于宇宙，所有的恒星都在进行核聚变产生光。对地球生物影响最大的典型光源是太阳。一般生产全光谱型的光，太阳表面温度是6000K，所以太阳光的标准色是这个色温，阳光中除了可见光部分还有大量的高能紫外线和红外线成分。

图：太阳的光芒

l         遥远的恒星之光

远离太阳系的恒星到达地球的较少，以星星的方式存在，数量巨大的星星在夜空中的分布产生了肉眼可见的银河，和星座。

图：星空和银河系

由于地球周围包围着一层厚厚的大气层，这层大气的疏密程度是不均匀的，星光通过不均匀大气时不能再沿直线传播，而是发生折射而弯曲，由于大气是在不断运动变化的，它的疏密程度也在不断地改变，因此被大气折射的星光方向也不固定，有时会折射到我们的眼中，有时不会进入眼睛，所以有时候星光会闪烁不定，像眨眼睛一样。

l         高纬度天空中的极光

太阳会不定期地产生高能的太阳风，在地球磁场的作用下，在极地上空形成极光。

极光（Aurora、Aurora Borealis、Polar light或Northern light）出现于星球的高磁纬地区上空，是一种绚丽多彩的发光现象。而地球的极光，来自地球磁层和太阳的高能带电粒子流（太阳风）使高层大气分子或原子激发（或电离）而产生。极光常常出现于纬度靠近地磁极地区上空，一般呈带状、弧状、幕状、放射状，这些形状有时稳定有时作连续性变化。极光产生的条件有三个：大气、磁场、高能带电粒子。这三者缺一不可。

图：极光现象

2.2反射产生的光

l         月亮发光

月亮表面反射太阳光到达地球，对于地球生物来说，月亮是影响夜晚的最大的光的来源。

图：满月现象

l         彗星发光  

夜空中，一部分的星星是反射恒星的光芒让自己得到显示的，还有一部分发光面积较大，形状独特，最令生物界感到惊奇的便是彗星。其中哈雷彗星（正式的名称是1P/Halley）是最著名的短周期彗星，每隔75或76年就能从地球上看见，哈雷彗星是唯一能用裸眼从地球看见的短周期彗星，也是人一生中唯一可能以裸眼看见两次的彗星。

图：哈雷彗星扫过夜空

2.3燃烧与高温产生的光

l         流星发光

相比于彗星和其他行星，流星雨被生物肉眼观测到，是由于流星和地球大气摩擦产生高温发光被看到的。

图：流星划破夜空

        火山发光

地球上由于地壳运动地底下的熔岩喷发出来形成了火山喷发，由于熔岩温度极高，会伴随着非常高的亮度和类似火一样的颜色。

图：火山喷发

         自然火焰

在自然界中由于火山喷发和雷电、森林自燃等原因，火一直存在着，火是动物界感到恐惧的力量之一，学会使用火也是人类进入文明社会的标记。

图：燃烧的焰火

因为火本身燃烧温度的不同，火苗各个位置的温度不同。，燃烧过程物质的特征光谱不同，不同的火会发出各种不同的颜色现象，在此不一一列举。

        “鬼火”发光

相比于一般的火，“鬼火”属于低温燃烧，产生的光也以比较窄的特征光谱形式出现。

动物体的骨骼里含有较多的磷化钙，躯体里埋在地下腐烂，发生着各种化学反应。磷由磷酸根状态转化为磷化氢。磷化氢是一种气体物质，燃点很低，在常温下与空气接触便会燃烧起来。磷化氢产生之后沿着地下的裂痕或孔洞冒出到空气中燃烧发出蓝色的光，这就是磷火，也就是人们所说的“鬼火”。

图：“鬼火”的样式

2.4高压放电产生的光

       闪电发光

闪电是云与云之间、云与地之间或者云体内各部位之间的强烈放电现象（一般发生在积雨云中）

图：立体交错的雷电

2.5矿物质产生的光

古时候著名的夜明珠俗称为萤石，从固体物理学角度矿物性“夜明珠”的基体材料都是无机盐类晶体中的激活晶态磷光体。

所谓激活晶态磷光体是指由于晶体晶格点阵畸变而获得“发光”本领的晶体，而这种畸变，又多半是由于基质内含某些重金属杂质（激活剂）所引起的。例如ZnS中含少量的Cu就能发出黄绿色磷光，此ZnS称为基质，Cu称为激活剂

图：矿物质夜光

矿物内的电子在外界能量的刺激下，会由低能状态进入高能状态，当外界能量刺激停止时，电子又由高能状态转入低能状态，这个过程就会发光。萤石在日光灯照射后可发光几十小时，这种光相对微弱，白天看不见，夜里看很亮。

另外，紫外线，高能的紫光和深蓝色光都可能激发自然界中的荧光物质，使之发光。

2.6高等生物吸收光发出的变波长的光

        猫眼发光

有些动物在晚上活动时，其眼睛经常是呈荧光的颜色。例如猫的眼睛放绿光，牛的眼睛放蓝光，狼的眼睛放黄绿光。

动物的眼睛并不是简单地反射了夜晚中极其微弱的可见光，而是反射了充满在夜空中人眼看不见的红外线，并且在反射红外线时令其发生蓝移，变成了可见光，所以才有在看不见入射光、人们却能看见动物的眼睛反射光的情况。如果不是动物通过肌肉给眼睛内的液晶膜施加压力作用，令液晶膜表面就会带有一定量的负电荷，从而使得大量液晶分子被维持在某一激发态或称亚稳态上，动物的眼睛是不可能在夜晚放出可见光的，这样的可见光由于黑夜光强十分微弱，但具有与背景不同的奇特色彩，于是显出各种不同颜色。

这层结构能够把一部分射入的光线反射回视网膜，于是，视网膜就相当于接受了双重的照射，这大大提高了动物的夜间视力。

图：夜晚发光的猫眼

2.7高等生物发出的荧光

         荧光海滩中的水母

水母发光靠的却是一种叫埃奎林的神奇的蛋白质，这种蛋白质遇到钙离子就能发出较强的蓝色光来。水母也只是海洋发光生物中较为常见的一种，还有发光乌贼等，不过很少形成大面积的视觉冲击。

图：海滩上水母形成的发光带

l        萤火虫发光

萤火虫的发光是生物发光的一种。萤火虫有专门的发光细胞，在发光细胞中有两类化学物质，一类被称作萤光素（在萤火虫中的称为萤火虫萤光素(Firefly luciferin)），另一类被称为荧光素酶。荧光素能在荧光素酶的催化下消耗ATP ，并与氧气发生反应，反应中产生激发态的氧化荧光素，当氧化荧光素从激发态回到基态时释放出光子。反应中释放的能量几乎全部以光的形式释放，只有极少部分以热的形式释放，反应效率为95%，甲虫也因此而不会过热灼伤。人类到目前为止还没办法制造出如此高效的光源。

萤火虫不仅发光，而且会使用各种闪光进行彼此交流，大量的萤火虫群集出现形成了非常科幻效果的自然光现象。

图：萤火虫尾部发光

         蕈蚊发光

蕈蚊原产自澳大利亚和新西兰，它们的幼虫会产生照亮洞穴的幽光。虽然大多数物种都将生物发光作为防御捕食者的手段，但是蕈蚊幼虫借助内部化学反应的发光来吸引猎物。

图：洞穴里如星空般的蕈蚊发光

2.8菌类发出的光

        荧光蘑菇

早起的鸟儿有虫吃，晚上开“灯”的蘑菇则更可能“儿孙满堂”。在风媒被大大削弱的巴西丛林底部，荧光蘑菇用闪耀的荧光为自己的繁衍另辟蹊径。漆黑中的荧荧绿光，似乎在述说着“浮夸”背后那精打细算的生存之道

图：夜晚发光的蘑菇

        发光树和假蜜环菌

发光树是一种能够在夜晚或者是阴暗环境下发出微光的植物。在我国及世界各地均有分布，如江苏发光树，贵州省月亮树，非洲照明树、魔蜡烛树，美洲蜡烛树、蜡烛胡桃。

发光植物上一般生长着一类“亮菌”。其中比较典型的是假蜜环菌，它靠分解和吸收树木的纤维素和木质素为营养，进行生长繁殖。假蜜环菌的初生菌丝体能发出淡蓝色或者绿色的亮光。

图：自身不发光植物因假蜜环菌寄生发光

3.光的散射

l         曙暮光

曙暮光又称“晨昏蒙影”。日出前即太阳未露出地平线前，阳光照射到高层大气，阳光被大气分子散射，造成天空微亮，地面微明，从这时刻起到太阳露出地平线为止的光亮称曙光。彩虹色曙暮光彩虹色曙暮光日落后即太阳西沉到地平线以下后，仍有一段时间阳光可照射到高空大气，因空气分子散射使天空和地面仍维持微明，这段时间的光称暮光。曙光与暮光合称曙暮光，也称之为“白夜”。 曙光时段称黎明，暮光时段称黄昏。

图：太阳落入地平线之后的光现象

         晚霞和朝霞

早晨和傍晚，在日出和日落前后的天边，时常会出现五彩缤纷的彩霞。朝霞和晚霞的形成都是由于空气对光线的散射作用和吸收作用。当太阳光射入大气层后，遇到大气分子和悬浮在大气中的微粒，就会发生散射。这些大气分子和微粒本身是不会发光的，但由于它们散射了太阳光，使每一个大气分子都形成了一个散射光源。

    当日落或日出时，太阳几乎在我们视线的正前方，此时太阳光在大气中要走相对很长的路程，我们所看到的直射光中的波长较短蓝光大量都被散射了，只剩下红橙色的光，这就是为什么日落时太阳附近呈现红色，而云也因为反射太阳光而呈现红色，但天空仍然是蓝色的。

图：朝霞和晚霞

在一天中的不同时间，太阳穿过的大气厚度不同，阳光散射的程度不同，产生了一天中阳光色温不同的变化现象，早上和傍晚偏暖和，正午偏白，阴天则偏冷色，在此不一一列举。

         瑞利散射产生蓝天

    由于瑞利散射的强度与波长四次方成反比，所以太阳光谱中波长较短的蓝紫光比波长较长得红光散射更明显，而短波中又以蓝光能量最大，所以在雨过天晴或秋高气爽时（空中较粗微粒比较少，以分子散射为主），在大气分子的强烈散射作用下，蓝色光被散射至弥漫天空，天空即呈现蔚蓝色。

         米氏散射产生白云

米氏散射主要由大气中的微粒，如烟、尘埃、小水滴及气溶胶等引起。米氏散射的程度跟波长是无关的,而且光子散射后的性质也不会改变。如云雾的粒子大小与红外线(0.7615um)的波长接近，所以云雾对红外线的辐射主要是米氏散射。

云是指停留大气层上的水滴或瓦斯或冰晶胶体的集合体。云是地球上庞大的水循环的有形的结果。太阳照在地球的表面，水蒸发形成水蒸气，一旦水汽过饱和，水分子就会聚集在空气中的微尘（凝结核）周围，由此产生的水滴或冰晶将阳光散射到各个方向，这就产生了云的外观。白云，文字解释为白色的云彩，即云的外观呈白色。

图：蓝天和白云

l         森林中的丁达尔现象

清晨，在茂密的树林中，常常可以看到从枝叶间透过的一道道光柱，这种自然界现象属于丁达尔现象。这是因为云、雾、烟尘也是胶体，只是这些胶体的分散剂是空气，分散质是微小的尘埃或液滴。

图：阳光穿透早晨有雾气的树林

4.光的吸收

        阴天

变化无方的大气成分产生了多种形状的云，云层厚度高时变成了乌云，大比例低吸收了太阳光。另外，大气中的灰尘颗粒也能够吸收太阳光让天空变得灰暗。

图：乌云密布

5.光的切割

         日食/月食

太空中的遮挡物可能造成光线的切割。月球运行到地球和太阳的中间能造成“日食”。对应地，地球运行到太阳和月球的中间则能够造成“月食”

图：日食的成因

图：日全食和月全食现象图解

l         遮挡物对主要光来源的切割。

较高的遮挡物如山体、石头植物等对太阳光的切割，是最常见的光现象。下雨和下雪，落叶等视觉现象也都可以理解为在视角方向上故障物对光的切割。

图：光线和视野的遮挡

l         树影的产生

阳光穿过树冠照射到地面上，由于云层对阳光的散射，以及风对于树冠的摇动作用，树影会显得摇曳和斑驳。在无云和树木较矮的条件下容易形成清晰的影子，反之形成模糊的影子。

图：斑驳的树影

6.光的色散（dispersion）

l         彩虹

单彩虹、双彩虹、直线彩虹都是是太阳光沿着一定角度射入空气中的水滴所引起的比较复杂的由折射和反射造成的一种色散现象，其本质还是折射，并且，阳光和视线夹角一般不大于42度。自然界在晚上还有可能产生月虹，与白天的彩虹原理一下，但是其背景必须更暗。

图：单彩虹

图：双彩虹

图：直线彩虹

7.光的反射

l        月有阴晴圆缺

我们每天所看到的月亮，它的明暗、位置都不一样，这种现象称为月相的变化，又称为盈亏。为什麼会有这种现象呢？因为在阴历初一时，月球正好运行到地球与太阳的中间，月球暗的一面正对著地球，因此在地球上看不到月球，这时称为「朔」或「新月」；在初七、初八时可以看见月球东边暗，西边亮，这时称为「上弦月」；十五到十七，月球 运转到地球的背面，因此可以看到圆圆的月亮高挂在天上，这时称为「 满月」或「望」；二十三日左右，月球的西半部暗，东半部亮，这时称 为「下弦月」。 月亮以由朔月经上弦月、满月到下弦月为一周期，这之间的时间刚好是一个月，因此，月亮的圆缺变化，可以说是由太阳、地球、月球三者之间的位置来决定的。

图：月有阴晴圆缺

l         光的镜面反射

光的镜面反射最典型的是无风情况下的水面的倒影。

图：水面镜面反射现象

l         涟漪的反射

在水面有物体掉落的情况下容易产生各个方向的涟漪，使水反射面形成多个不连续的反射面。

图：涟漪现象

l         晚霞映江

当视线固定在江面，并且太阳或者月亮在视角中水面的斜上方时容易见到不同的水的形态。

图：定向的水波粼粼对光的反射

l         水射光

太阳光照射在水面上，水面由于风力的作用，会存在变化的曲面，曲面将光线反射到附近的山体，树冠上常常形成网状的线条。

图：水面反射的阳光

8.光的折射

l         海市蜃楼

发热的地面上的光的密度低，较高位置光的密度高，往往可以发生复杂的折射现象。

海市蜃楼是这种现象的典型例子，是地球上物体反射的光经大气折射而形成的虚像。 海市蜃楼简称蜃景，根据物理学原理，海市蜃楼是由于不同的空气层有不同的密度，而光在不同的密度的空气中又有着不同的折射率。也就是因海面上冷空气与高空中暖空气之间的密度不同，对光线折射而产生的。

图：大气密度差产生的折射

l         多“日”同辉

图：多日同辉现象

俗称日晕也叫圆虹，是一种大气光学现象，是日光通过卷层云时，受到冰晶的折射或反射而形成的。当光线射入卷层云中的冰晶后，经过两次折射，分散成不同方向的各色光。有卷层云时，天空中会飘浮着无数冰晶，在太阳周围同一圈上的冰晶，都能将同一种颜色的光折射到人的眼睛里形成内红外紫的晕环,(实际并没有）天空中有冰晶组成的卷层云时，往往在太阳周围出现一个或两个以上以太阳为中心、内红外紫的彩色光环，有时还会出现很多彩色或白色的光点和光弧，这些光环、光点和光弧统称为晕。

l         露珠的折射

由于需要表面积最小化，露珠一般是近似球形。阳光会在坠露内部折射并使某一个范围的视角亮度增加，看起来变亮了，显得晶莹剔透。

图：晶莹的露珠

l         水岸韵律

水面的波纹向浅斜的岸边不断涌过去，岸上的水则不断向下，这中间形成的激荡的形状会产生特有的曲面，将光线折射和汇聚到水底。

图：水拍岸形成的折射

l         海洋之心

阳光穿透较浅的海面或表面快速激荡的水面照射到水底会形成斑驳的光影，由于水面的曲面较细碎和快速，水面反射的阳光会变得更加复杂。

图：海面对阳光的折射

9.光的衍射

l         佛光现象

佛光也是一种光的自然现象，其主要原理是衍射。当阳光照在云雾表面，经过衍射和漫反射作用形成佛光的自然奇观。阳光将人影投射到云彩上，云彩中细小冰晶与水滴形成独特的圆圈形彩虹。

图：佛光现象

10.光的干涉

l         水面上的油膜的颜色

生物产生的油滴入水面散开后水面上会形成一层薄膜，油膜的颜色显示出来的色彩不是水和油的色彩，而是光的干涉现象。

�形成独特的圆圈形彩虹。

图：水面上油膜的颜色

l         蝴蝶干涉形成颜色

一般的物体着色的规律是本身带有色素，是一种着色体。但是有一些物体不那么普通，它表面有特殊结构，让光线反射出来的时候不是胡乱反射，而是发生干涉，从而改变了光的成分。这样的结构通常是纤细的平行薄层，层之间的距离和光的波长相当，这样反射出的平行光之间就会有干涉。和色素色不同的是，干涉效果和观看的角度有关系，所以往往会显示出光泽或者虹彩的效果——但也有些鸟类的羽毛上有小气泡，起到散射效果，把虹彩抵消掉。这样的颜色，叫做结构色或者物理色

蝴蝶翅膀的颜色有两个来源，其一是色素“本身”的颜色，其二就是鳞片表面特殊结构产生的颜色，反射的同时发生了干涉。

��色彩，而是光的干涉现象。 �形成独特的圆圈形彩虹。

图：蝴蝶特殊结构导致光干涉产生的颜色

10.综述

由于工业革命，原始的自然的美在剧烈地被人类文明和人类文明的副产物破坏，在众多城市人的视野中，星空已经消失。地球表面大量水域污染严重，同时一些发光物种濒临灭绝，人类文明对地球的改造正全面替代自然存在，自然界本身的光现象也在减少。

本文整理了自然界中的一些主要的自然光现象，并根据主要的规律做了分类和图解。笔者认为捋清自然光知识点在设计界知识体系中的位置，有利于区分自然光本身的现象定义和人类社会文化内涵的关系，自然应该是独立于文化而存在的，与人类意志无关。没有人类文明之时该类现象已经长时间存在，在人类文明出现之后，人类文明将这些自然现象与文化融合到了一起延伸出了自然光现象文化的一面。本文为设计界提供了更多的自然界的光形态参考，也可为回归自然主题的光理念的引入找到更好的参考依据。www.ledmewish.com.cn

本文所引用的图片均为直接视觉现象，非人工合成，或其他技术性操作。同时由于信息有限，本文只对最普遍存在的自然光现象做了列举和阐述。日光色温和对颜色重现能力的光现象建筑界和照明界有详细的研究，对该部分感兴趣的读者可参阅该部分内容。

参考信息来源：

《中国国家地理杂志》

《符号与象征》米兰达布鲁斯-米特福德著，三联书店。

《千奇百怪大全集》春之霖 上官紫薇著，中国华侨出版社。

图片内容主要检索自《百度知道》等网络，如有版权问题，敬请联系作者；

作者介绍：韩柏光，

广州朗文光电技术总监

朗文全球设计支持中心首席设计师

全国高级照明设计师同学会会员

中国照明网特约撰稿人

广州光学学会会员

华人照明设计师协会CLDA专业会员

IALD国际照明设计师协会Affiliate会员

上海交通大学广东校友会青年俱乐部执行副主席