神奇的大气光学现象——光晕

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谚语说：“日晕三更雨，月晕午时风。”光晕现象谁没见过？可是，你知道光晕可以细分成几十种类型吗？有些可能一辈子都无缘得见！

神奇的大气光学现象——光晕

编译：邱煜欣

校对：马明阳 王克义

别的不说，先上定义（仿佛一头扎进教科书里）

光晕现象： 由悬浮在大气中的冰晶（卷状云、“钻石沙”等）折射或反射光线而产生的一组环形、弧形、柱形或亮点形式的光学现象。

“钻石沙”（diamond dust，又称棱冰）是由微小的冰晶体组成的地面云层。 这种气象现象也称为冰晶，在METAR（航空例行天气报告）代码中记为IC（ice crystals）。 “钻石沙”通常在清澈或接近晴朗的天空下形成，因此有时称为晴空降水。 “钻石沙”在南极和北极地区最常见，但也可以在温度远低于冰点的任何地方发生。 在地球的极地地区，这种现象可能会持续数天而不中断。

由日光折射形成的光晕类型可以显示出彩色，而反射光晕为白色。在夜晚，肉眼很难感知颜色; 因此，月晕大多呈现白色。

22°晕

22°晕（过去称为小晕圈，在民间，22°晕被认为是风暴来临前的征兆之一）是最常见的光晕现象。小光晕表现为一个半径22°的白色或近乎白色的发光环，光源（太阳或月亮）位于其中心。它内部的毛边呈现红色，在一些罕见的情况下，外部毛边呈现紫色。光环内的天空比其他地方的天空明显更暗。无论在天空中的位置如何，光环的半径始终为22°。根据卷状云量的不同，有时只能看到整个圆的一部分。想知道如何快速且准确地验证光环的半径吗？辨识妙招： 伸直手臂并且展开手指，从拇指到小指指尖的角度近似为20°，用拇指尖遮住太阳，你就会在小指尖附近发现22°的光环啦！

22° 日晕

Credit : Frank Le Blancq

46°晕

有时可观察到的46°晕（过去称为大晕圈）是一个半径为46°的圆形晕圈。这个光环比22°光环出现的几率要小得多，并且总是没那么亮。46°光晕很容易与上侧弧相混淆。“上侧弧”是什么鬼？别急，请往下看。

46° 日晕（图中外部的大圆圈）

Credit : Claudia Hinz

46° 月晕

Credit:Gladson Machado

发光柱（光柱）

沿光源（如太阳或月亮）竖直向上或向下，可以观察到白色的发光柱，其光线呈现间断或连续状态，也称为光柱。偶尔会在地面光源的上方观察到光柱，在极少数情况下，可能会看到明亮行星上方或下方延伸出的小光柱，如金星。当太阳是光源时，这种现象被称为日柱。光源上方的光柱是上光柱，反之，在光源下方是下光柱。在有冰云、冻雾或“钻石沙”等冰晶的情况下，从山上或飞机上观看下光柱是最好不过了。

日柱

Credit:Frank Le Blancq

夜间灯柱

Credit:Eric Van Lochem

切线弧

“切线弧”是几种与其他光晕相切形成的发光弧的通用术语。我们有时会在22°晕圈或46°晕圈的外侧看到切线弧，这些弧在其最低点或最高点（分别为上切弧和下切弧）触及圆形晕环。这些弧线的形状随光源（太阳或月亮）的高度角变化而变化。它们往往很短，甚至可能只是一个亮点。当光源恰好在地平线上方时，上切弧呈现为窄V形。当太阳或月亮在天空中升高时，上切弧的V形向外张开形成类似于大鸟自然伸展翅膀的形状，那可真是有落霞与孤鹜齐飞的感觉了。

对于22°晕圈，当太阳或月亮位于地平线上22°以内时，下切弧通常低于地平线，所以它只能从高处看到，例如在山上（有“钻石沙”的情况下）或者从飞机里（在更深的卷云中）。如果能够看到，则下切弧的倒V字形随着光源高度的增加而先变窄然后变宽。

当太阳或月亮上升达到地平线以上32°时，上下切线弧连接形成所谓的外接晕圈。这个大致呈椭圆形的光环位于22°晕圈之外，并且触及最高点和最低点。有时，只有较亮的上部和下部能够实际观测到。当太阳或月亮上升到高于50°时，外接晕圈逐渐变成圆形。在更高的高度上，它则与22°晕圈合并，因此很难将它们区分开。但是，外接晕圈通常较亮，颜色更纯，并且最内层为红色。

上切弧

Credit:Alfons Puertas

环天顶弧

环天顶弧（过去称为上部环天顶弧）是近天顶、色彩鲜艳的半圈，其顶点在太阳上方约48°。 它有明亮的颜色，下部即外弧呈现红色，上部即内弧呈现紫色。只有当光源（例如太阳）的高度角小于32°时才会发生此光弧。在这一太阳高度角时，它的半径最小。随着太阳高度角的减小，弧会稳定地放大。如果光源的高度角约为22°时还能看到环天顶弧，它就能接触到46°晕圈。如果有幻日的话，特别是太阳高度角在15°和25°之间时，出现环天顶弧的概率会很大，因为幻日和环天顶弧都是由水平方向的板状冰晶折射而产生的。

环天顶弧

Credit:George Anderson

环天顶弧（图中最上方）

Credit:Joseph Thiebes

环地平弧

环地平弧（过去称为下部环天顶弧）是一种接近地平线，并平行于地平线延伸的圆弧。环地平弧与环天顶弧一样明亮而多彩。仅当光源的高度角大于58°时才会发生环地平弧。当太阳达到约68°的高度角时，环地平弧达到其最大强度。在纬度55°以上的国家和地区，由于太阳高度角总是低于58°，因此无法看到环地平弧。所以，这是地球上并非处处可见的少数几种光晕之一。当光源的高度角约为68°时，如果可见，环地平弧会接触46°晕圈的下部。

环地平弧

Credit:Paula de Diaz

幻日环

这是一条与太阳高度相同的白色水平线（准确的说是一个大圆圈，但通常只能观察到它的一段）。在幻日环的某些点可能出现亮斑。这些亮斑最常出现在22°晕圈的外侧一点。有时候，在以太阳为基准、方位角为120°的地方可以看到远幻日，而与太阳位置相对的反假日就很少出现了。当幻日、远幻日或者反假日特别亮时，它们通常被统称为幻日。这些专有名词可能会把你绕得晕头转向，所以我们只要记住它们都是幻日就行啦。一个小插曲：英语里也称幻日为sun dog（太阳狗），大概是因为幻日总是出现在真正的太阳附近确定的位置,又比真正的太阳要小,仿佛是太阳带领的几只忠实规矩的狗,因而得名的吧？

南极上空的幻日环（图中为横向弧线）

Credit:John Bortniak

同样的，月亮产生的相应现象称为幻月环、幻月、远幻月和反假月。当幻月、远幻月或反假月特别亮时，它们被统称为幻月。

幻月环（图中为横向弧线）

Credit:Bob King

映日

映日（subsun 或undersun）是由云层中板状冰晶反射阳光产生的。它出现在太阳的垂直下方，形成一个明亮的白色斑点，如同平静的水面上的太阳倒影。只有在向下看时才能看到映日，所以只能从飞机（在卷层云中）或者在冬季的山中（有“钻石沙”的情况下）观察到。

飞机上拍摄的映日

Credit:George Anderson

上侧弧

这是一个彩虹色的大圆弧，仅当光源高度角低于32°时才形成。它看起来像是大圆的一个片段，并且总是高于幻日环的高度。上侧弧很可能被误认为是46°晕圈，但可以通过上侧弧更亮、色彩更艳丽的外观来区分。就像所有彩色光晕一样，弧线的红色侧面朝向太阳，其蓝色部分远离太阳。与46°晕圈不同，上侧弧的形状随着光源的高度变化而变化。上侧弧的顶点靠近或接触环天顶弧。上侧弧很容易与46°晕圈混淆，可得擦亮眼睛仔细辨别。

从上到下依次为：环天顶弧，上侧弧，彩晕弧（帕利弧），上切弧和22°晕圈

Credit: Joseph Thiebes

外侧晕弧（或下侧切线弧）

这是一对罕见的彩色晕弧，它类似于白色圆环下的彩虹，正好在46°晕圈的外面并与之相切，且始终位于幻日环下方。其形状随着光源的高度变化而变化。随着太阳高度的增加，外侧晕弧与46°晕圈的接触点沿着46°晕圈向下移动，之后形成共同的弧线。在太阳高度角为68°时，该弧线与46°晕圈的接触点在太阳的垂直下方。当太阳升得更高时，弧的顶点位于46°晕圈以下几度。一个外侧晕弧的亮度和色彩甚至可以媲美环天顶弧。

在图中幻日环下方、46°晕圈外侧（左下角和右下角，形成一对）的外侧晕弧

其他光晕现象

在极少数情况下可以看到许多其他光晕现象。其中包括：彩晕弧（帕利弧）、反日弧（漫射反日弧、魏格纳弧、黑斯廷斯弧、特理克尔弧）、带状弧（或46°帕利弧）、偕日弧、下日弧、莫伊拉恩弧、金字塔形冰晶晕（例如，具有9°、18°、20°、23°、24°、35°半径的晕圈）以及同样多种的切线弧、椭圆晕等。

复杂多变的光晕现象

（图片来自网络，由“天文机器猫2代”发布）

形成光晕的冰晶形状二例

专门的日晕模拟软件模拟出的图景

软件模拟的几种日晕类型，以及折射形成各种类型晕的冰晶形状

日晕类型和形状随太阳高度角的演变

『天文湿刻』 牧夫出品

微信号：astronomycn

by Javier Ramos

编排：邱煜欣

责任编辑：解仁江

牧夫新媒体编辑部

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