高温天气时为什么会看见空气热浪？

科普中国

2024-06-22 07:30发布于北京中国科学技术协会官方账号

夏日炎炎的季节，相信很多小伙伴都有过这样的经历：当你在斑马线等红绿灯的时候，会看到马路中间有热浪在波动，以至于看到的画面都是扭曲的，怎么会这样呢？难道是我们热到中暑眼花了吗？其实，这是一种正常的物理现象。那么，你是否好奇过这种现象是如何产生的呢？这一现象背后又蕴含着哪些科学知识？今天，我们就来聊一聊空气热浪背后的奥秘。

空气热浪的形成原理

你也许会认为热浪的形成是热空气在“沸腾”，但空气是透明的，它无时无刻不在我们周围流动，温度并不能让它的踪影现行。空气热浪的形成主要归因于温度梯度的存在。在高温天气下，地面受太阳辐射加热，温度会迅速升高。由于空气是一种流体，它会受到地面的加热而膨胀，这将导致其密度降低。热空气密度较低，因此会上升，而冷空气相反则会下降。

光线通过温度梯度较大的空气层时，会发生多次折射

再者，空气的密度变化会影响光的传播速度，进而导致光线的折射。对于受热膨胀的空气，由于密度的降低，空气对光的折射率随之减小。当光线通过温度梯度较大的空气层时，会发生多次折射。这些折射导致我们看到的物体位置和形状发生变化，从而形成了空气热浪的视觉效果。

可视化技术——纹影

纹影（Schlieren）作为一种可视化技术，其原理和我们在马路上看到的空气热浪现象的原理具有异曲同工之妙。它是一种用来观察流体行为的光学方法，利用光在被测流场中的折射率梯度正比于流场的气流密度的原理，将流体密度的变化转化为光强的变化，被广泛应用于流场的可视化。

打火机点火纹影图像

纹影技术经历了一个漫长的发展过程。它的起源可以追溯到 1665 年， Hooke 首次提出了纹影成像的目测观察法，眼睛的瞳孔作为刀口，切断折射光线，通过光线的密度变化来观测蜡烛火焰的透明对流羽流；1859 年，Foucault 首次使用刀口装置观察到了纹影图像；1864 年，Toepler 重新发明了纹影技术，称这种独特的新技术为玻璃中的非均匀光学，德语中称为“Schlieren”。

Hooke 最初的纹影系统

Toepler 设计了第一个实用纹影观察装置

随着实验物理学的发展，纹影技术很快被公认为一种有价值的实验工具，当前已不断发展出适用于不同场景的纹影技术，用于观测气流的边界层、燃烧、激波、气体内的冷热对流以及风洞或水洞流场中，因各种因素引起的扰动的分布、传播过程以及扰动强度等。

纹影技术的工作原理

纹影技术简单来说就是，利用空气流动时造成的密度梯度分布，使光线在通过这些分布不均匀的空气时发生偏折，将不可被肉眼看见的气流的变化，转化成可在视场中观察到的明暗条纹。

纹影技术基本原理示意

常见的纹影单镜光学系统设置如上图所示，光线由点光源 LS 发出，照射在球面镜（或抛物面镜）CM 上发生反射，反射后的光线聚焦于 LS'点，此处为光源 LS 的虚像，继而在底片 FP 上形成直射光的投影。当密度不同的透明介质 TM 出现在 LS 与 CM 之间时，光线会发生折射，偏离原有方向并绕过位于焦点处的刀片 KN，将衍射光成像于 FP 上。刀片 KN 的作用是挡掉大部分的直射光，并且切掉一部分的衍射光，衍射光与直射光在像平面 FP 上的叠加就会呈现明暗纹理的变化。有时为了提高成像灵敏度，扩大其工作区域，也采用双凹面镜 Z 形光路布置。

纹影技术的应用

观测笔记本散热过程

下图展示了一台高性能笔记本电脑在 CPU 满载情况下的散热过程，我们可以从纹影图像中清晰地看到热空气的流动。冷空气从笔记本电脑侧面吸入，后携带芯片产生的热量从笔记本的后部排出形成了图右侧较快移动的高温气流；而笔记本键盘区域下方为电脑主板，因此键盘表面温度较高，从下图左侧可以看到键盘表面热空气缓缓升腾。

笔记本电脑散热过程流场图像（侧视）

观测燃烧过程

通过压缩空气将有机溶剂液滴喷射到燃烧火苗的上方，这时溶剂液滴与空气充分混合后被引燃，于是产生了强烈的火光并且形成向上升腾的高温火焰。我们可以通过纹影图像，清晰地看到液滴喷入、混合、引燃的全过程。

空气中有机溶剂引燃过程图像

对比吹风机的性能

下面这张纹影图展示了高速吹风机（左）与普通吹风机（右）吹出的热气流。相较于普通吹风机，高速吹风机产生的气流速度更快，温度更高，气流更加聚集，具有更好的烘干效果。

1600W（左）和1200W（右）吹风机气流对比图像

如果你要问我纹影法最恶趣味的用途是啥的话，那大概就是用它可以看到你放出的五颜六色的彩虹屁。

高温天气下的空气热浪现象，是自然界中光与物质相互作用的一个典型例子，高温的作用让我们看到了原本看不见的空气。而纹影技术正是这样一种强大的工具，它能够将不可见的流动元素转化为可见的图像，为科学研究和工程应用提供了重要的流场信息。随着技术的发展，纹影技术的应用领域还在不断扩展。

参考文献

[1]https://mp.weixin.qq.com/s/PGgco7BGB-7vUFD6DCFvaw

[2]https://mp.weixin.qq.com/s/atI7jMtO1gBoIrCCssTSfA

[3]https://mp.weixin.qq.com/s/SfSbSctVpZhlSEIloZ8ayA

[4]https://mp.weixin.qq.com/s/Ino5osSG0HomAM3zMS9HfQ

[5]https://mp.weixin.qq.com/s/EeqwsqZBgcq45SW9ErAKyw

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责编丨何通

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