“三個太陽”背后的光學“魔術”

近日，北京的天空中出現(xiàn)一個罕見的自然現(xiàn)象：太陽的左右兩側各有一個明亮的光斑，看起來就像是3個太陽同時掛在空中。這一奇觀其實是個光學“魔術”，正式名稱為“幻日”，是大氣中懸浮的冰晶對陽光折射之后產(chǎn)生的一種冰晶暈。其實在冬季，除了幻日之外，與冰晶暈相關的自然奇觀還有很多，我們來認識一下。

2024年12月10日，幻日美景現(xiàn)身北京，與故宮角樓相互映襯

幻日 光學“魔術”變出多個太陽大氣光學現(xiàn)象是指光在通過大氣層時，由于大氣中分子、氣溶膠和云霧等粒子的作用導致的各種光學現(xiàn)象。這些光學現(xiàn)象包括暈、虹、霞、蜃樓等，其形成原理是光的折射、反射、衍射和散射等。其中，暈是日、月光線通過云中冰晶發(fā)生折射或反射，從而產(chǎn)生的位于日、月周圍的光圈、光柱、光弧、光點的總稱。此次北京出現(xiàn)的幻日便是暈的一種。

先來介紹一下冰晶。冰晶的尺寸從幾十微米到幾百微米不等，人們用肉眼根本看不見。大部分冰晶為六棱柱形，共有8個面，其中兩個底面平行，6個側面圍成正六邊形。雖然都叫作六棱柱形，但有的六棱柱形冰晶名副其實，有的則看起來扁扁的，與其說是柱，還不如說是把柱切成了片。但不管是柱還是片，冰晶的兩個底面和6個側面的基本要素都是齊全的。

當冰晶在空氣中下落時，會傾向于采取阻力最大的姿態(tài)使自己的降速最慢。如果其六棱柱形是個明顯的柱，就會橫臥在空中，而如果是個片，則會“用臉兜風”。所以，當氣流穩(wěn)定時，冰晶片會緩緩下落，其兩個底面基本上都與大地平行，那種景象就像是完成表演之后正在收隊的無人機群。在這種情況下，幻日的出現(xiàn)就有了必要條件：通過陽光照射的冰晶須得保持姿態(tài)基本一致。

陽光照射時，從一個側面鉆進冰晶，又從夾角60°的另一個側面鉆出來。在這個過程中，陽光會經(jīng)過兩次折射：進去一次、出來一次。經(jīng)過光學計算可知，這一進一出，總共會使陽光偏折22°左右。由于冰晶的姿態(tài)基本平行于地面，且片狀冰晶的側面相當狹窄，因此這種側面進、側面出的折射模式對陽光照射角度的要求比較苛刻，只發(fā)生在人們望向太陽方向的一道薄薄的水平面上（否則光線就進入不了人的眼睛）。最終呈現(xiàn)的效果是，在太陽左右兩側各22°的方向，人們看到被冰晶折射過來的陽光最為集中顯著，這時兩個假太陽就出現(xiàn)了，如同一場光學“魔術”，貢獻了3個太陽的幻日奇觀。

幻日具有內(nèi)紅外藍的色彩，這是因為陽光是由多種色光組成的，不同顏色的光通過空氣和冰的交界時，折射率不一樣。經(jīng)過兩次折射后，紅光偏得較少，只有21.5°，藍光偏得較多，可達22.4°，所以人們看到的藍光會比紅光離太陽更遠一些。事實上，陽光通過夾角60°的兩個面，并分出了多種顏色，這一事件的本質(zhì)就是三棱鏡分光，和牛頓當年做的光譜實驗是一模一樣的。

從幻日的形成原理來看，它需要空氣比較寧靜，陽光照射角度與冰晶的上下兩面基本平行，所以當幻日出現(xiàn)時，太陽的位置往往并不高。如果在網(wǎng)上搜索“幻日”會發(fā)現(xiàn)，它出現(xiàn)的季節(jié)大多是冬天，特別是在高緯度地區(qū)或日出、日落前后。比如，2024年11月29日，內(nèi)蒙古根河市出現(xiàn)幻日景觀，持續(xù)了近5個小時；12月3日，黑龍江省遜克縣上空出現(xiàn)雙側幻日景觀，與這次北京出現(xiàn)的幻日類似。

環(huán)境條件特別好的時候，除了22°幻日，還可能看到44°幻日，這是被一片冰晶偏折22°的陽光又被另一片冰晶偏折22°之后的疊加結果，只是它非常黯淡。如果22°幻日非常強烈，還可以嘗試尋找120°幻日，要注意這個角度已經(jīng)超過90°了，所以需要轉(zhuǎn)過身來背對太陽，再朝兩側看。所以，各個角度看到的幻日是陽光以各種方式折射或反射的結果。我國古人看到過這些奇觀卻不理解背后的原理，曾衍生出“十日并出”的神話。

說個有趣的冷知識：事實上，任何兩個人看到的冰晶暈都是不同的。這是因為他們站在不同位置，看到的折射光來自不同冰晶。同樣，站在水邊看到的冰晶暈“倒影”也并不與天上正在發(fā)生的冰晶暈完全對稱。

環(huán)天頂弧“倒掛彩虹”最為壯觀伴隨著幻日出現(xiàn)的，常常還有環(huán)天頂弧。這種現(xiàn)象又稱“倒掛彩虹”或“天空的微笑”，指在靠近太陽一方的天空高處，出現(xiàn)一小段上藍下紅的彩色圓弧，它凸向太陽方向，圓心是天頂。其實，環(huán)天頂弧也是一種冰晶暈，它是陽光從片狀冰晶的頂面射入，又從側面射出時發(fā)生的折射與色散（指復色光分解為單色光而形成光譜的現(xiàn)象）。

北京這次出現(xiàn)幻日的同時，也出現(xiàn)了環(huán)天頂弧。也許大家會疑惑，太陽在低空，環(huán)天頂弧在高處，陽光是如何照射到冰晶頂面的呢？實際上，“天比太陽高”只是一個視覺假象，照射到地球的陽光其實是平行的。即使人們“飛”到云端，看到的太陽依然在斜上方，所以，陽光照射冰晶的頂面不存在任何困難。

環(huán)天頂弧色散強烈，色彩特別鮮艷，它與幻日的形成條件一樣，要求太陽的位置較低。因為太陽越高，弧的張角越小，一旦太陽仰角超過32°，環(huán)天頂弧就消失了。不過，如果太陽再高些，到仰角58°的時候，則有機會在靠近地平線的方向看到另一種彩色冰暈，上紅下藍，叫作環(huán)地平弧。它是光線從冰晶的側面射入，從下底面射出后形成的，它的色散也很強烈且十分寬大，完整出現(xiàn)的環(huán)地平弧在視覺上會更加壯觀。從對太陽仰角的要求來看，環(huán)地平弧與幻日及環(huán)天頂弧出現(xiàn)的條件正好相反，所以它一般不會在高緯度地區(qū)出現(xiàn)，也不青睞太陽低垂的冬季。

前文提到，幻日對冰晶姿態(tài)的一致性要求比較高。如果空氣中的冰晶方向很隨意時，那么這種22°折射就會均勻分布在太陽周圍，此時，人們看到的就是普通的日暈。日暈又稱為圓虹，通常呈現(xiàn)為環(huán)繞太陽的彩色光環(huán)，這是陽光通過高空卷云層時，受到隨機取向的柱狀冰晶的兩次折射而形成的。

除了反射和折射這些常見操作之外，光線有時還會“表演”衍射效應，提醒大家它是一種波。當遇到特別細小的冰晶時，光線會直接繞過去。當不同波長（不同顏色）的光在不同方向發(fā)生增強或抵消時，會形成內(nèi)藍外紅的日華。日華也是大氣的一種光學現(xiàn)象，當太陽的光線被薄云遮蔽時，在太陽周圍會產(chǎn)生一圈彩色光環(huán)，即為日華。特別強調(diào)一下，造成衍射的障礙物不一定是冰晶、水滴這些透明微粒，即使是塵埃、花粉、火山灰，也會使光線發(fā)生衍射。只不過，顆粒越小，衍射效應越強，形成的日華就越大。

云巔閃光 空中有朵“跳舞”的云冰晶暈現(xiàn)象常常伴隨著色散造成的虹彩，所以人們有時候?qū)⑵浣y(tǒng)稱為“彩虹”。但是，大家熟悉的彩虹與冰晶暈的光學原理并不一樣。形成彩虹的是球形液態(tài)水滴，而造成冰晶暈的是棱角分明的固態(tài)冰。而且，彩虹總是出現(xiàn)在太陽對側的雨幕中，而冰晶暈的位置多變，與太陽在同一個方向的時候居多。

自然界還有一種非常罕見、特別的冰晶暈，叫作云巔閃光。它的外觀是一縷明亮的云絲，總是出現(xiàn)在高高的積云之巔，時而直立，時而躬身，時而昂首，時而展臂，像個專業(yè)模特一樣擺出各種造型。實際上，云巔閃光也是一種幻日，只是它的冰晶姿態(tài)會受到下方帶電積云的電場控制。每當云中發(fā)生放電現(xiàn)象時，這些冰晶就會集體改變姿態(tài)和太陽光路，瞬間產(chǎn)生明暗變化。盡管每片冰晶并未移動太遠，但就像大型活動中的拼字表演般，它們通過改變自身的明暗和色彩，給地面上的人們造成一種空中有朵“跳舞”的云的假象。

冰晶暈現(xiàn)象不光出現(xiàn)在白天。只要冰晶的姿態(tài)合適，在皎潔的月光照耀下，也會形成幻月、月暈、月華、環(huán)天頂弧、環(huán)地平弧等現(xiàn)象。有時，明亮的火流星也能照徹夜空，使類似的冰晶暈出現(xiàn)。

在夜間，還有一些精彩的光影表演是白天看不到的。有一種冰晶暈叫作“寒夜燈柱”，一道道五顏六色的光柱直指夜空，如同極光一般。其實，這些光柱的源頭就是地面上的燈光，而寧靜的寒冷空氣中懸浮的冰晶就像無數(shù)面一致朝下的鏡子，把燈光反射到人們眼中，就形成了“寒夜燈柱”的奇觀。

此外，還有一種罕見的燈柱常見于暖夜的高空。溫暖地區(qū)的大氣對流較為強烈，很難讓冰晶的方向一致。但偶爾高空的對流層寧靜下來時，這些冰晶就會在幾千米外的高空組成一個大鏡面，甚至把整個城市的街道“繪制”在空中，恍如出現(xiàn)了海市蜃樓。2020年5月10日下午，廈門經(jīng)歷了一場雷暴，強對流天氣把大量水汽送上高空，傍晚時雷暴主體消散，但高空風速較低，氣流穩(wěn)定，因此在夜空中出現(xiàn)了美麗的暖夜燈柱，投射出“天上街市”的盛景。

2023年2月2日，日暈、幻日、環(huán)天頂弧在北京上空“集合”

大氣光象為氣候研究提供重要依據(jù)說到這里，大家對大氣光學現(xiàn)象中的冰晶暈現(xiàn)象應該有了比較深入的了解，但也要當心思維定式的陷阱，不能一看到“天上有好幾個太陽”就斷定是幻日。網(wǎng)上常有人貼出好幾個太陽成串出現(xiàn)在天空中的照片，個個輪廓清晰渾圓，但這種現(xiàn)象其實是隔著玻璃，甚至是好幾層玻璃看太陽的結果。太陽被玻璃重重反射之后會出現(xiàn)一連串，其中最亮并貼著一邊的才是真太陽。所以，對大氣光學感興趣的人要注意科學記錄的方法，在觀測時需盡量消除不必要的干擾。

前文提到，自然界中的大氣光學現(xiàn)象除了暈之外，還有虹、霞和蜃樓3種。其中，虹是指陽光或月光經(jīng)過云滴或霧滴發(fā)生折射和反射而形成的彩色大弧，主虹外側呈紅色、內(nèi)側呈紫色，外側角半徑約為42°；有時在主虹之外可見另一同心大光弧，色帶排列與主虹相反，稱為霓或副虹，其內(nèi)側角半徑約為50°，光彩較黯淡。霞是清晨或傍晚在太陽附近或太陽相對一側的天空或云層上出現(xiàn)的色彩現(xiàn)象，它是由陽光透過大氣層時受空氣分子及大氣中的塵埃、水汽等選擇性散射所形成，霞光多數(shù)為紅光，預示著天氣變化，因而有“朝霞不出門，晚霞行千里”一說。蜃樓則是指來自遠處物體的光線經(jīng)過密度分布反常的空氣層時，發(fā)生顯著折射（或同時有全反射）使遠處景物出現(xiàn)位置、形狀、大小變化和晃動的奇異幻景，它常發(fā)生在海邊或沙漠地區(qū)，故有海市之稱。

這些大氣光學現(xiàn)象都是大自然的杰作，其中有的常常是天氣現(xiàn)象的前兆，一直被人們所關注。遠在3000多年以前的殷墟甲骨文中，就有關于虹的記載；《詩經(jīng)》中也寫過“朝隮（音jī，指虹）于西，崇朝其雨”，意為早晨太陽東升時，如果西方出現(xiàn)了虹，到中午就要下雨了；關于暈、寶光環(huán)、海市蜃樓等大氣光象，中國古代也有觀測和解釋，如“日暈三更雨，月暈午時風”的說法。雖然人類已經(jīng)認識到其中的絕大多數(shù)，但依然有一些尚待探索。例如著名的“峨眉佛光”——背朝太陽面對云海，云海上自己影子的周圍會出現(xiàn)七彩光暈，其成像原理至今還沒有定論，科學家仍在研究建模，試圖精準解釋這種現(xiàn)象。

總之，大氣光學是研究光通過大氣時的相互作用和由此產(chǎn)生的各種低層大氣光學現(xiàn)象的一門學科，屬于大氣物理學的一個分支。大氣光學現(xiàn)象除了好看、有趣之外，其實更值得關注的是其背后的科學原理。通過研究大氣光學，人們可以探知相關氣象參數(shù)，如云高、云密度、固液顆粒尺寸等，為天氣預報、大氣環(huán)境、氣候研究提供重要依據(jù)。此外，大氣光學研究對天文觀測、光通信技術、光污染控制等也具有重要意義。如今，科學界的跨學科合作正在不斷加強，以促進大氣光學研究的深入發(fā)展。