「用一盤墨水觀看日蝕」的方法安全嗎?

        除了剛過去的三月外,在2019年12月香港都可以看到日偏蝕,有興趣的市民可能會上互聯網找尋一些觀看日蝕的方法。當中有些方法很是有趣,例如是用曝光過的菲林、煙燻過的玻璃或是使用一盤墨水來觀看日蝕,特別是墨水這個方法看起來既經濟又實惠,不需花費太多便可以看到日蝕,但是這個便宜的方法又是否安全呢?

        在光學上有一個概念叫反照率(albedo),是指一個物件反射太陽幅射(即是包含紅外線、可見光、紫外線等太陽發出的輻射)與該物件表面接收到太陽輻射的比率,理論上完美的黑色物件並不會反射太陽光,所以它的反照率是零;而純粹的白色物件會反射全部的陽光,所以它的反照率則是一。所以我們平常會認為深色的物件會比淺色的吸收更多的太陽光。世界上最黑的東西是由Surrey Nanosystems公司研發的Vantablack 2.0,這種物料可以吸收絕大部分光線,連光譜儀也無法測量反射的光線,就像黑洞一樣,看過去只會是完全的黑暗。

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圖一: 在同樣的光照下,淺色的色紙看起來比深色的色紙光亮

圖二:塗在皺的錫箔紙上VantaBlack 2.0

        但當要描述水的反射時,我們需要應用菲涅耳方程(Fresnel Equations)來計算,菲涅耳方程同樣適用於玻璃和鑽石等光滑平坦的表面。根據菲涅耳方程,當光從一種介質(如空氣)進入到另一種介質時(如水),光線會在界面同時發生折射和反射,而光線的反射比則跟光線的波長、光的入射角和介質的折射率有關。下面的圖表說明了當入射角從零(垂直於水面)增加到九十度時水的反射率的變化:

圖三:反射率比入射角的圖表

        當光線垂直照射水面時,光的反射率是最低的,大約只有百分之二的可見光會被水面反射;而當光線近乎水平照射時水的反射率則快速地上升到一,即是水面會反射全部的可見光,因此我們經常可以看到遠方景物在水面的倒影。但是即使是百分之二的陽光,只要我們觀看超過一分鐘都有可能永久性損害視力。要安全地觀看太陽,我們需要把太陽減光到小於0.003%。因此水並不是一個適合觀測太陽的工具。

       墨水其實是在水中添加了不同顏色的色素,例如是碳黑墨水便是在水中加入碳粉。添加了色素的水會否可以有效地減小光的反射率呢?有趣的是不管甚麼顏色的水,光的反射率都是相約的,不會因為水是黑色便會減小光的反射率。這是因為光的反射是在兩個介質的相交面(即是在水面上)反射,而色素是溶在水中,因此水的顏色並不會影響到水的反射率,例不如說愈深顏色的水會令倒影更加清晰。

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圖四:不同顏色的水反射光管的光度基本上是相約的

        會產生這個有趣的現象是因為水容許光線穿透。當光線射向一張顏色色紙時,光線先被色紙吸收一部分,其餘的光會被散射開去。因此黑色的物件代表大部分的光都被吸收,就像是圖二的Vantablack一樣不反射任何光線。但是當光線射向水面的時候,光線先根據水的折射率和光入射的角度反射一部分的光,剩下的部分才會被水折射和吸收--愈深色的水吸收的比例便愈高。

        除了會反射過量的太陽光以外,使用墨水觀看太陽還有另一個危害:紫外線。一般人可能以為水的折射率是固定不變的,但其實不同波長的光線會有不同的折射率--這也是水可以把陽光折射出七色光的原因。

圖五:不同波長的光相對的折射率

       在圖三可以看到水在紫外光部分的折射率明顯高過可見光以及紅外線,參考菲涅耳方程我們會發現相對於可見光和紅外線,水會反射更多的紫外線。因此使用墨水來觀看日蝕會令紫外線可以直射入我們的眼睛,引發多種的眼睛疾病,例如黃斑點病變、白內障、角膜脫落等等。

        即使是在日蝕發生時,在日偏蝕時陽光的光度仍然很高,水面反射的太陽光仍然有機會致盲。因此要安全地觀測太陽,我們可以使用合規格的太陽濾光片。這些濾光片可以把陽光減弱到十萬分之一,同時過濾走絕大部分的紅外線和紫外線,令我們可以不受傷害地觀察太陽。

圖六:太陽濾光片

太陽館.度假營 

助理館長

王力

觀察日期: 
星期日, 六月 12, 2016
刊登日期: 
星期三, 六月 8, 2016 - 22:30