“三个太阳”背后的光学“魔术”

近日，北京的天空中出现一个罕见的自然现象：太阳的左右两侧各有一个明亮的光斑，看起来就像是3个太阳同时挂在空中。这一奇观其实是个光学“魔术”，正式名称为“幻日”，是大气中悬浮的冰晶对阳光折射之后产生的一种冰晶晕。其实在冬季，除了幻日之外，与冰晶晕相关的自然奇观还有很多，我们来认识一下。

2024年12月10日，幻日美景现身北京，与故宫角楼相互映衬

幻日 光学“魔术”变出多个太阳

大气光学现象是指光在通过大气层时，由于大气中分子、气溶胶和云雾等粒子的作用导致的各种光学现象。这些光学现象包括晕、虹、霞、蜃楼等，其形成原理是光的折射、反射、衍射和散射等。其中，晕是日、月光线通过云中冰晶发生折射或反射，从而产生的位于日、月周围的光圈、光柱、光弧、光点的总称。此次北京出现的幻日便是晕的一种。

先来介绍一下冰晶。冰晶的尺寸从几十微米到几百微米不等，人们用肉眼根本看不见。大部分冰晶为六棱柱形，共有8个面，其中两个底面平行，6个侧面围成正六边形。虽然都叫作六棱柱形，但有的六棱柱形冰晶名副其实，有的则看起来扁扁的，与其说是柱，还不如说是把柱切成了片。但不管是柱还是片，冰晶的两个底面和6个侧面的基本要素都是齐全的。

当冰晶在空气中下落时，会倾向于采取阻力最大的姿态使自己的降速最慢。如果其六棱柱形是个明显的柱，就会横卧在空中，而如果是个片，则会“用脸兜风”。所以，当气流稳定时，冰晶片会缓缓下落，其两个底面基本上都与大地平行，那种景象就像是完成表演之后正在收队的无人机群。在这种情况下，幻日的出现就有了必要条件：通过阳光照射的冰晶须得保持姿态基本一致。

阳光照射时，从一个侧面钻进冰晶，又从夹角60°的另一个侧面钻出来。在这个过程中，阳光会经过两次折射：进去一次、出来一次。经过光学计算可知，这一进一出，总共会使阳光偏折22°左右。由于冰晶的姿态基本平行于地面，且片状冰晶的侧面相当狭窄，因此这种侧面进、侧面出的折射模式对阳光照射角度的要求比较苛刻，只发生在人们望向太阳方向的一道薄薄的水平面上（否则光线就进入不了人的眼睛）。最终呈现的效果是，在太阳左右两侧各22°的方向，人们看到被冰晶折射过来的阳光最为集中显著，这时两个假太阳就出现了，如同一场光学“魔术”，贡献了3个太阳的幻日奇观。

幻日具有内红外蓝的色彩，这是因为阳光是由多种色光组成的，不同颜色的光通过空气和冰的交界时，折射率不一样。经过两次折射后，红光偏得较少，只有21.5°，蓝光偏得较多，可达22.4°，所以人们看到的蓝光会比红光离太阳更远一些。事实上，阳光通过夹角60°的两个面，并分出了多种颜色，这一事件的本质就是三棱镜分光，和牛顿当年做的光谱实验是一模一样的。

从幻日的形成原理来看，它需要空气比较宁静，阳光照射角度与冰晶的上下两面基本平行，所以当幻日出现时，太阳的位置往往并不高。如果在网上搜索“幻日”会发现，它出现的季节大多是冬天，特别是在高纬度地区或日出、日落前后。比如，2024年11月29日，内蒙古根河市出现幻日景观，持续了近5个小时；12月3日，黑龙江省逊克县上空出现双侧幻日景观，与这次北京出现的幻日类似。

环境条件特别好的时候，除了22°幻日，还可能看到44°幻日，这是被一片冰晶偏折22°的阳光又被另一片冰晶偏折22°之后的叠加结果，只是它非常黯淡。如果22°幻日非常强烈，还可以尝试寻找120°幻日，要注意这个角度已经超过90°了，所以需要转过身来背对太阳，再朝两侧看。所以，各个角度看到的幻日是阳光以各种方式折射或反射的结果。我国古人看到过这些奇观却不理解背后的原理，曾衍生出“十日并出”的神话。

说个有趣的冷知识：事实上，任何两个人看到的冰晶晕都是不同的。这是因为他们站在不同位置，看到的折射光来自不同冰晶。同样，站在水边看到的冰晶晕“倒影”也并不与天上正在发生的冰晶晕完全对称。

环天顶弧“倒挂彩虹”最为壮观

伴随着幻日出现的，常常还有环天顶弧。这种现象又称“倒挂彩虹”或“天空的微笑”，指在靠近太阳一方的天空高处，出现一小段上蓝下红的彩色圆弧，它凸向太阳方向，圆心是天顶。其实，环天顶弧也是一种冰晶晕，它是阳光从片状冰晶的顶面射入，又从侧面射出时发生的折射与色散（指复色光分解为单色光而形成光谱的现象）。

北京这次出现幻日的同时，也出现了环天顶弧。也许大家会疑惑，太阳在低空，环天顶弧在高处，阳光是如何照射到冰晶顶面的呢？实际上，“天比太阳高”只是一个视觉假象，照射到地球的阳光其实是平行的。即使人们“飞”到云端，看到的太阳依然在斜上方，所以，阳光照射冰晶的顶面不存在任何困难。

环天顶弧色散强烈，色彩特别鲜艳，它与幻日的形成条件一样，要求太阳的位置较低。因为太阳越高，弧的张角越小，一旦太阳仰角超过32°，环天顶弧就消失了。不过，如果太阳再高些，到仰角58°的时候，则有机会在靠近地平线的方向看到另一种彩色冰晕，上红下蓝，叫作环地平弧。它是光线从冰晶的侧面射入，从下底面射出后形成的，它的色散也很强烈且十分宽大，完整出现的环地平弧在视觉上会更加壮观。从对太阳仰角的要求来看，环地平弧与幻日及环天顶弧出现的条件正好相反，所以它一般不会在高纬度地区出现，也不青睐太阳低垂的冬季。

前文提到，幻日对冰晶姿态的一致性要求比较高。如果空气中的冰晶方向很随意时，那么这种22°折射就会均匀分布在太阳周围，此时，人们看到的就是普通的日晕。日晕又称为圆虹，通常呈现为环绕太阳的彩色光环，这是阳光通过高空卷云层时，受到随机取向的柱状冰晶的两次折射而形成的。

除了反射和折射这些常见操作之外，光线有时还会“表演”衍射效应，提醒大家它是一种波。当遇到特别细小的冰晶时，光线会直接绕过去。当不同波长（不同颜色）的光在不同方向发生增强或抵消时，会形成内蓝外红的日华。日华也是大气的一种光学现象，当太阳的光线被薄云遮蔽时，在太阳周围会产生一圈彩色光环，即为日华。特别强调一下，造成衍射的障碍物不一定是冰晶、水滴这些透明微粒，即使是尘埃、花粉、火山灰，也会使光线发生衍射。只不过，颗粒越小，衍射效应越强，形成的日华就越大。

云巅闪光 空中有朵“跳舞”的云

冰晶晕现象常常伴随着色散造成的虹彩，所以人们有时候将其统称为“彩虹”。但是，大家熟悉的彩虹与冰晶晕的光学原理并不一样。形成彩虹的是球形液态水滴，而造成冰晶晕的是棱角分明的固态冰。而且，彩虹总是出现在太阳对侧的雨幕中，而冰晶晕的位置多变，与太阳在同一个方向的时候居多。

自然界还有一种非常罕见、特别的冰晶晕，叫作云巅闪光。它的外观是一缕明亮的云丝，总是出现在高高的积云之巅，时而直立，时而躬身，时而昂首，时而展臂，像个专业模特一样摆出各种造型。实际上，云巅闪光也是一种幻日，只是它的冰晶姿态会受到下方带电积云的电场控制。每当云中发生放电现象时，这些冰晶就会集体改变姿态和太阳光路，瞬间产生明暗变化。尽管每片冰晶并未移动太远，但就像大型活动中的拼字表演般，它们通过改变自身的明暗和色彩，给地面上的人们造成一种空中有朵“跳舞”的云的假象。

冰晶晕现象不光出现在白天。只要冰晶的姿态合适，在皎洁的月光照耀下，也会形成幻月、月晕、月华、环天顶弧、环地平弧等现象。有时，明亮的火流星也能照彻夜空，使类似的冰晶晕出现。

在夜间，还有一些精彩的光影表演是白天看不到的。有一种冰晶晕叫作“寒夜灯柱”，一道道五颜六色的光柱直指夜空，如同极光一般。其实，这些光柱的源头就是地面上的灯光，而宁静的寒冷空气中悬浮的冰晶就像无数面一致朝下的镜子，把灯光反射到人们眼中，就形成了“寒夜灯柱”的奇观。

此外，还有一种罕见的灯柱常见于暖夜的高空。温暖地区的大气对流较为强烈，很难让冰晶的方向一致。但偶尔高空的对流层宁静下来时，这些冰晶就会在几千米外的高空组成一个大镜面，甚至把整个城市的街道“绘制”在空中，恍如出现了海市蜃楼。2020年5月10日下午，厦门经历了一场雷暴，强对流天气把大量水汽送上高空，傍晚时雷暴主体消散，但高空风速较低，气流稳定，因此在夜空中出现了美丽的暖夜灯柱，投射出“天上街市”的盛景。

2023年2月2日，日晕、幻日、环天顶弧在北京上空“集合”

大气光象为气候研究提供重要依据

说到这里，大家对大气光学现象中的冰晶晕现象应该有了比较深入的了解，但也要当心思维定式的陷阱，不能一看到“天上有好几个太阳”就断定是幻日。网上常有人贴出好几个太阳成串出现在天空中的照片，个个轮廓清晰浑圆，但这种现象其实是隔着玻璃，甚至是好几层玻璃看太阳的结果。太阳被玻璃重重反射之后会出现一连串，其中最亮并贴着一边的才是真太阳。所以，对大气光学感兴趣的人要注意科学记录的方法，在观测时需尽量消除不必要的干扰。

前文提到，自然界中的大气光学现象除了晕之外，还有虹、霞和蜃楼3种。其中，虹是指阳光或月光经过云滴或雾滴发生折射和反射而形成的彩色大弧，主虹外侧呈红色、内侧呈紫色，外侧角半径约为42°；有时在主虹之外可见另一同心大光弧，色带排列与主虹相反，称为霓或副虹，其内侧角半径约为50°，光彩较黯淡。霞是清晨或傍晚在太阳附近或太阳相对一侧的天空或云层上出现的色彩现象，它是由阳光透过大气层时受空气分子及大气中的尘埃、水汽等选择性散射所形成，霞光多数为红光，预示着天气变化，因而有“朝霞不出门，晚霞行千里”一说。蜃楼则是指来自远处物体的光线经过密度分布反常的空气层时，发生显著折射（或同时有全反射）使远处景物出现位置、形状、大小变化和晃动的奇异幻景，它常发生在海边或沙漠地区，故有海市之称。

这些大气光学现象都是大自然的杰作，其中有的常常是天气现象的前兆，一直被人们所关注。远在3000多年以前的殷墟甲骨文中，就有关于虹的记载；《诗经》中也写过“朝隮（音jī，指虹）于西，崇朝其雨”，意为早晨太阳东升时，如果西方出现了虹，到中午就要下雨了；关于晕、宝光环、海市蜃楼等大气光象，中国古代也有观测和解释，如“日晕三更雨，月晕午时风”的说法。虽然人类已经认识到其中的绝大多数，但依然有一些尚待探索。例如著名的“峨眉佛光”——背朝太阳面对云海，云海上自己影子的周围会出现七彩光晕，其成像原理至今还没有定论，科学家仍在研究建模，试图精准解释这种现象。

总之，大气光学是研究光通过大气时的相互作用和由此产生的各种低层大气光学现象的一门学科，属于大气物理学的一个分支。大气光学现象除了好看、有趣之外，其实更值得关注的是其背后的科学原理。通过研究大气光学，人们可以探知相关气象参数，如云高、云密度、固液颗粒尺寸等，为天气预报、大气环境、气候研究提供重要依据。此外，大气光学研究对天文观测、光通信技术、光污染控制等也具有重要意义。如今，科学界的跨学科合作正在不断加强，以促进大气光学研究的深入发展。

来源：《北京日报》

作者：雷淼（中国科普作家协会会员）