研究與觀察（長期更，超長警告）

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接下來我要引用一本蘇聯學者卡洛爾寫的《積雪》里的東西，來談論一下積雪常見的性質。雪晶有很多種命名和分類法，這個之后會講到。根據一位日本學者（名字忘了，下次補上）的調查研究，雪晶再零下15攝氏度左右會形成最為豐富的圖案。當溫度非常低的時候，地面附近也會形成一些小冰晶，看起來就好像冰針是從晴空下落下來的。當溫度低于零下50攝氏度時，人或著牲畜呼出的水汽會直接凝華，變成冰晶或者微小的雪花。這些細小的冰晶，相互碰撞時，會發出一種特殊的聲音，就像揉搓紙的簌簌聲，或者電火花的噼啪聲，亞庫梯人稱之為“星星的低語”。
著名的（？？）冰雪學者道布羅伏爾斯基在日記里提到過，南極的冬天，內衣一脫下來里面就會結冰，是皮膚散發的水汽附著冷凝形成的。一般在溫度0攝氏度左右，天氣平靜的時候，會形成大雪花，0.2-0.5g，有的可以到1g。然而一般的雪花非常輕，根據研究，一般的星狀雪花平均質量0.0001g-0.0003g，3000-10000個雪花，才有1g的質量。然而，星狀雪花比平常那種和紙差不多薄的雪花重10-15倍，而冰片比冰針要重幾倍呢。深一米的積雪覆蓋在一平方米的地上，就包含幾十億顆雪花。
一般來說，風速在2m/s及以上時，風就能把雪吹走，這個在曠野的路上叫做風吹雪災害，有時會形成雪阻，破壞交通，通常用挖雪壕或者架設雪反射板來防止。由于風的原因，積雪可能會呈現：1.起伏狀（又叫雪浪）2.波紋狀 3.沙丘狀 4.柱狀等。
起伏狀積雪的脊通常與盛行風向垂直（而盛行風向可以幫助判斷地形方位）苔原和雪原上的居民，就利用這些起伏的雪浪來判斷方向，尋找道路，完成數千公里的長途跋涉。經常，由于低吹雪，積雪表面會有一層灰白色堅硬的被稱為凍雪外殼的東西，晴朗嚴寒的天氣里，由于融化再凍結形成的太陽冰殼，則是呈現灰暗色，比凍雪外殼要暗一些。雨水落在疏松的雪上，會在積雪內部形成許多深溝，溝壁上結著冰，這樣冰殼上就會出現多孔的結構。如果出現鱗狀冰殼，那么恭喜，春天要到了（蘇聯的春天比我們的冷，他們是春天）（或者根據融雪情況判斷），鱗片呈傾斜狀排列著，隆起的一面朝向南方。

忘了說一位研究雪的著名（真？）氣候學家——沃耶伊科夫教授，他是世界科學界公認的，“雪的理論之父”。

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今天我們來說說和水有關的。先來說一個概念，不知道大家有沒有觀察過，陽光下的礦泉水瓶，瓶后透過的陽光形成了一條條交錯的光線，同樣還有水下，陽光照射到水底，投下一片片光斑。這樣的現象被稱為焦散線。焦散線是指：光經過彎曲的玻璃或者水波的反射與折射后，投射到一個表面的點狀，弧形，波浪形的光線。
在玻璃杯的周圍，光“彈射”起來并沿著幾何形狀的邊界形成凝聚的線條，或者沿著邊緣形成光譜效果，在玻璃的投影中焦散線密集出現。
焦散線的形狀是以玻璃體表面的彎曲形狀決定的，彩虹本質上也是焦散線。
當太陽光被水表面的波紋向下折射時，就產生了焦散效果。波浪將焦點集中在起伏不平的海床上或者水下生物的背部。焦散效果不會出現在超過約6m（20英尺）深的水下，而且這種現象只在天氣晴好的時候發生。
焦散反射可以由小波浪向上反射，這一點在威尼斯建筑的向下面經常可以看到（比如拱形石門的頂部）。
同樣，焦散反射也可以出現在凹陷的閃光物的內側，比如，明亮的陽光下，空的咖啡杯的底部會出現腎形的焦散線（原理參考心臟線的參數方程）。要觀察焦散效果，只需要讓陽光穿透曲面玻璃，或者從金屬表面反射回來，就可以輕松看到了。
(更新了一張圖）

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抱歉鴿了一天，今天我們來討論一下溪流相關的研究。首先，我們還是從水面看起。但是容我先介紹一個我學過的概念和公式，概念是水力半徑，是水力學中的一個專有名稱，指某輸水斷面的過流面積與水體接觸的輸水管道邊長（即濕周）之比，與斷面形狀有關，常用于計算渠道隧道的輸水能力。溪流屬于明渠流，計算水流流速常用曼寧公式，這個就不詳細介紹了，為什么要介紹這個？因為在觀察流速的時候，你就可以考慮到對應的危險性，而且從粗糙度中可以判斷是否適合甲殼類動物棲居。
還是回到水面上來，一開始我們先講講靜水的觀察。都說水平如鏡，但是只有以一個淺角觀察時水面才像是一面鏡子，隨著角度增大，進到水里的光的百分比也增多了。（全反射）所以說，當站在水邊時，抬頭遙望天空，尤其是看向天際，相比之下水面顏色要深得多。因為照到水面的一部分光進入水中，沒有被反射，所以淺色物體在水中顏色要深得多（這個我感覺可以出個小謎題什么的）如果有大塊巖石擋住了反射光線（尤其是河底的），那么顏色就會顯得深得多。（很適合藏東西）另外，如果泥沙雜物多的話，反射的光更多，也就更像鏡子。
一般來說，河邊常常會有風（可以用比熱容解釋），風會帶來漣漪，漣漪會扭曲倒影，但只是水平方向上的，豎直線沒有被干擾，所以更多的細節會體現在豎直線上。約翰羅斯金說過:"所有水的動作拉長了反射物，然后把它們扔進混亂的豎直方向。"
水面很臟的情況下，黑色會變得淺的多或變成棕色。很多畫作表現大雨后的戶外，比如黃昏后的河面，剛下過大雨，河水污濁不堪，這時的反射能力最強，就像一面鏡子。有一個古老的繪畫準則：不要畫深水上的投影。因為深水中一般有很多沉積物，沉積物多投影就會顯得不夠真實，而且邊緣會非常模糊，因為光線被水中的物質漫反射和散射了。

順便推薦一個人和他的書，Tristan Gooley，他寫的《how to read nature》《how to read water》《nature navigator》等書都很詳細地介紹了他所進行的自然觀察，我也從他那里學了很多（但百科中還沒有引用過他寫的東西，不過很快就會用到）。如果不喜歡看英文書，可以看看《水的導讀》《野游觀察指南》，是他的書翻譯過來的名字。

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今天我們來討論山間溪流，山間溪流和低地溪流以及湖泊的流動方式不同，溪水通常清澈見底，而且由于存在高度差（梯度下降），通常流速很快，所以撞擊在巖石上會水花四濺，破碎成一片片白色的水花，并且會激起很多白色泡沫。溪流極速向前，有時波紋叢生，有時漩渦密布（漩渦這個很復雜，和湍流有關，不過根據目前柯爾莫哥洛夫的理論，大的漩渦會破碎成小的漩渦，并向小漩渦供能，最終轉化為耗散的能量），樹枝、干草也漂浮在水面上隨波逐流。
如果在晴朗的日子觀察小溪，就會發現水面下的顏色比水面上的顏色要豐富的多。水可以過濾顏色（在水下找東西看不清可以拿一個礦泉水瓶，透過瓶子看），水下的石頭就由此變成了深色，而水面上同樣的石頭則正好相反（還有就是水填平了石頭表面的凹陷，減少了滿反射，就和拖地之后地好像變黑了一樣）。1m以下的水中，顏色變得更藍了，而水中物體的輪廓也越來越不清楚。淺灘處由于有部分沒有水，還有水對光的吸收不是很多，多呈現一種暖色調。
流速很快的地方，根據伯努利定律和亨利定律，會形成很多氣泡，水下有的地方顏色很深，有的則很亮，泡沫翻到水面上時，就會形成一團團的泡泡圈。這些泡泡很快就會散開不見，在廣闊的海面上航行的輪船的尾跡有時也能看到這樣的效果。
在山間，溪流的水位會很經常明顯地跌宕起伏（由于降水的原因，水庫等大型蓄水構筑物一般不會很頻繁，但是以年為單位一般也會有一個大的波動，可以很明顯的觀察到，最高水位線與最低水位線之間基本上不長植物，光禿禿的，我們叫這個消落帶）。暴雨過后，即使是晴朗的日子里，幾個小時后，小溪的水位也會下降好幾英寸。

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接著我們主要來說說水下的顏色。光在水中穿行，水平與豎直方向效果相同，在約5m深的水中，顏色都是差不多的單調沉悶。紅光主要是在3m處被吸收完全，橙色和黃色主要是在7m左右，最后只剩一個藍色投影，更深的地方，只剩下可見光的紫色波段和紫外線了。
一般來說為了還原水中物體的色彩，一定要使用閃光燈，閃光燈的優點是可以提升暖色調，但是又不會照的很遠，一般在繪畫中水下的描繪就使用的閃光燈效果。一般來說，潛水的海洋爬行動物身上主要是灰藍綠三色，然而如果考慮淤泥，則又帶上了一些棕黑色。在夏季，藻類爆發的時候，水體通常會呈現墨綠色。

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今天我們來講講日光束。當空氣中充斥塵埃，尤其是太陽光被云層遮擋，陽光破云而出時形成云隙光，我們可以看到壯觀的景象。午后的樹林，由于存在蒸騰作用，葉間也會彌漫水汽，我們可以看到陽光穿過葉隙，投射到地表，形成橢圓形的光斑。日語中稱為木漏れ日（komorebi）。
一般來說，滿足以下三個條件會形成日光束：
1.在有遮蔽性很強的云彩和葉子或者一座通透性的建筑物的附近。建筑物必須擋住大部分陽光，這樣背景暗下來才能看到。
2.空氣中彌漫著塵土，水汽，煙或者煙霧。
3.視線朝著太陽的方向。在空氣中懸浮的較大的顆粒以小角度將光線散射，當視線從光源處挪開，就幾乎看不到日光束了。
距離透過光線的縫隙越遠，光線走過的路徑就越長，邊緣就越模糊。一般來說，這個縫隙都是不均勻的，所以立體光束的橫斷面也是不規則的，光束的密度和邊緣形狀也變換不定。
日光束對物體投影的色值影響很大，甚至超過了有光一側的色值。
同理，也存在陰影束。陰影束通常出現在當噴氣式飛機軌跡與光線平行時，將有軌跡的投影想象成有邊界的暗氣體束。被照亮的臨近空氣色值略淺，天空有薄霧的時候，才能看見

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接著上面這張圖來講，最后來講一講光斑，剩下的會在之后的大氣光學現象中提到。
夏日的午后，陽光掃過樹梢，穿過葉隙，在地上投射下圓形或者橢圓形的光斑。逆著光看過去，重重疊疊的綠葉仿佛也變得透明了，能看見部分脈絡，這是發生了表皮下散射。
這些光斑大多有著相同的形狀，實際上光線呈一個錐面穿過縫隙投射過來，而地表像一把切割刀，切出了圓形或者橢圓形。這些光斑并不均勻分布，取決于頂上枝葉間縫隙，當風吹過，光斑也隨之移動。如果有云彩遮擋，光斑不會立刻消失，而是會變暗。這些光斑可以看作是小孔成像的太陽的像，如果發生日食，我們就可以看到光斑缺了一塊了。
說到這里，我們有了一種方法來估計日地距離。根據小孔成像原理，我們拿一張紙，讓太陽光投射過小孔，在地上形成光斑。這里存在一個相似三角形，于是，只要我們知道太陽的直徑，就可以由比例關系估計出日地距離，或者已知日地距離估計太陽的直徑。
既然提到了樹葉的觀察，我們說說畫家的看法。在繪畫上，以前的畫家其實是具有綠色偏見的，尤其是150年前。因為綠色在光照下，尤其是非自然光投射光照（舞臺光之類的）下會比較嚇人，旗幟也只有約16%含有綠色，而相對的居然有79%含有紅色。阿瑟杜蘭德就批判過綠色偏見，他斥責說畫了太多的秋天景色。其實，綠色在植物上具有豐富的層次感。春末夏初，這是一年之中最為欣欣向榮的時候，葉子還沒有長出柔嫩的表皮層，而且葉綠素也是黃綠色，當陽光穿過葉片，顏色并不是很令人愉快，畫家們為了表現這種顏色，調制了一種叫做蔬菜綠的顏色，一種鮮亮的黃綠色，專門用來畫綠葉。還有一種技法，是把粉紅色或者紅灰色放在調色盤上，再加上綠色。畫家斯特普爾頓 卡恩斯稱這種方法為走私紅。
（以上為觀察導論，講了很多自然現象，接下來要正式進入觀察部分了）

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觀察，其實我們人人都會，雖然觀察以利用視覺為主，但是視力不好的人依舊可以觀察，觀察實際上是利用我們的五感，視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺，分析我們得到的情報，再加以推斷的過程。但是我們往往會忽略其他感官，所以我們可以做一些其他感官的訓練，比如在國外很火的抱樹運動，算是一種減壓的方式，我們閉上眼睛，用手撫摸樹皮，把自己內心的壓力告訴樹木，慢慢感受探索的感覺，就好像樹木在聆聽一般，其實通過這項活動，我們也可以鍛煉我們的觸覺，感受樹皮的粗糙度，我們指尖的靈敏度也得到了訓練，同理還有閱讀盲文。聽覺可以通過閉上眼睛通過聽聲音來辨位，其他的感官都可以通過削弱視覺的影響來訓練，可見視覺是如此霸道，在各方面都能左右我們的思維。所以學會觀察，視覺一定要利用好，我們不能泛泛地去看，而要有重點，畢竟如果視覺上攝入太多信息，我們可能會忽略來自其他感官的更重要的信息。
在戰場上，曾經有一種被稱為哈里森反應的現象，指的是在戰場上性命危急關頭，敵人射出的子彈似乎變慢了，我們射擊的精度提高了，這種被稱為坑道視覺，直接放棄了那些不是很重要的信息。當然這是極端例子，但是我們可以從中借鑒信息篩選的方法。
以下是我軍偵察兵教材中教的觀察技巧：當我們刻意去集中視線，除非是緊要關頭，往往效果不是很好，偵察員為了集中注意力，應讓視線在物體上呈八字形運動，將物體包入，這樣可以提高效率。單兵偵察，這對人的觀察能力記憶力很有要求，其實就是觀察技巧的實戰應用，除此以外還有獵人，追蹤者，間諜特工等，都會培訓相關技能。接下來會頻繁引用軍事上的偵察技巧，包括追蹤術和特種兵技巧。

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下面我們來講一講觀察戰術。首先還是視覺上的觀察。前面提到我們很難把視線一直聚焦在一處進行觀察，所以提出了單個物體八字眼動法觀察。那么如果是在開闊地帶，比如需要觀察對方兵力部署，武器類型，或者進階版，根據對面野戰灶臺數量估計人數，進而根據復雜計算算出戰力，這些都是偵察兵要干的工作。面對如此龐大的數據量，怎樣減少思維的負擔？美軍，我軍，日軍的野戰條令上都給出了方法。首先，我們觀察是一個扇區，由于觀察哨設置一般要避免有大的動作，而且望遠鏡鏡片容易出現反光，且收光性比眼睛好，一次觀察時間超過20min就會損壞眼睛，所以我們要盡量減少使用望遠鏡時的大動作。所以，在近處，為了保證安全性，我們首先使用肉眼觀察，這樣可以獲得更大的視野，將扇區劃分成一條一條的區域（像年輪蛋糕一樣），在每一區域從右到左進行觀察，遠處則使用望遠鏡。這是通過科學分析得出的觀察技巧。
另外還有一種方法，是直線觀察，首先利用簡易測距術（比如跳眼法）將你與目標間的距離劃分成50m為單位的線段，對這50m為單位，由于近大遠小，近處我們可以沿著直線掃視，可重復，遠處則使用八字眼動法。這一點來自美軍的單兵作戰指南。當然，也可將觀察物體放在中心，由四周向中心螺旋形觀察掃視。
另外就是夜間觀察，這是一個狙擊技巧，當我們在光線昏暗的情況下觀察物體，可以向左約10°左右斜視物體，這就是著名的左斜視原理，利用的是視桿細胞和視錐細胞對光線敏感度的不同。

（補充說明，螺旋形觀察與直線觀察，還有扇形法，這些在搜索搜救上都有自己的名字，比如一致縱隊搜索，螺旋狀搜索什么的，其原理都是搜索論數學模型，用最大發現概率衡量的。不過觀察時還要考慮視覺疲勞，如果感到疲勞，注意活動眼球，轉眼珠或者極目遠眺都可以）

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不好意思鴿了兩天，我們繼續說點軍事上的應用。不過在此聲明：這可不算是泄密，都是些小技巧罷了。
夜間行軍的時候是最考驗觀察力的時候，因為如果開了燈，有可能會被敵人偵查的飛機拍攝到，所以汽車后期一般采用防空燈，其實就是車燈燈碗遮住了上方一半，等于燈光是打在地面上的，由于地表凹凸不平，光產生了漫反射，而且由于粗糙度較大（這里說句題外話，粗糙度可以用凸起的平均高度來衡量，這也是河道粗糙度的衡量方法，思想來自水力學中的尼古拉茲實驗），法線方向不是很密集（這一部分在計算機圖形學中得到了應用，BSDF模型），光線在表面有效能量損失比較大，可以減少被發現的可能。
但是，防空燈發明之前，我們只能摸黑趕路（聲音這個不用擔心，戰場的噪聲非常大，一架飛機產生的噪聲完全可以掩蓋一支隊伍的行進聲，而且還有各種炮聲什么的）。于是發明了閉燈駕駛這一特技。口訣如下：走灰不走白，遇黑停下來。
1.無月光的晚上，路面為深灰色，路外為黑色。
2.有月光的時候，路面為灰白色，積水為白色，路外為灰褐色。
3.雨天的夜晚，路面為灰黑色，坑洼或泥濘地為黑色，積水為白色。
4.雪天的夜晚，車轍為灰白色，但通過較多車輛后變成灰黑色。
在燈火管制地區，如果我們要快速通行，這個技術可以嘗試學一下。（雖然沒什么機會用）