三個太陽”背后的光學“魔術”

近日，北京的天空中出現一個罕見的自然現象：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。

幻日光學“魔術”變出多個太陽

大氣光學現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象。這些光學現象包括暈、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生折射或反射，從而產生的位于日、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，幻日的出現就有了必要條件：通過陽光照射的冰晶須得保持姿態基本一致。

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，陽光會經過兩次折射：進去一次、出來一次。經過光學計算可知，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，所以當幻日出現時，太陽的位置往往并不高。如果在網上搜索“幻日”會發現，它出現的季節大多是冬天，特別是在高緯度地區或日出、日落前后。比如，2024年11月29日，內蒙古根河市出現幻日景觀，持續了近5個小時；12月3日，黑龍江省遜克縣上空出現雙側幻日景觀，與這次北京出現的幻日類似。

環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超過90°了，所以需要轉過身來背對太陽，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生的冰晶暈完全對稱。

環天頂弧“倒掛彩虹”最為壯觀

伴隨著幻日出現的，常常還有環天頂弧。這種現象又稱“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，又從側面射出時發生的折射與色散（指復色光分解為單色光而形成光譜的現象）。北京這次出現幻日的同時，也出現了環天頂弧。

也許大家會疑惑，太陽在低空，環天頂弧在高處，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，完整出現的環地平弧在視覺上會更加壯觀。從對太陽仰角的要求來看，環地平弧與幻日及環天頂弧出現的條件正好相反，所以它一般不會在高緯度地區出現，也不青睞太陽低垂的冬季。

前文提到，幻日對冰晶姿態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，通常呈現為環繞太陽的彩色光環，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）的光在不同方向發生增強或抵消時，會形成內藍外紅的日華。日華也是大氣的一種光學現象，當太陽的光線被薄云遮蔽時，在太陽周圍會產生一圈彩色光環，即為日華。特別強調一下，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，也會使光線發生衍射。只不過，顆粒越小，衍射效應越強，形成的日華就越大。

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

云巔閃光，空中有朵“跳舞”的云

冰晶暈現象常常伴隨著色散造成的虹彩，所以人們有時候將其統稱為“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水滴，而造成冰晶暈的是棱角分明的固態冰。而且，彩虹總是出現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，只是它的冰晶姿態會受到下方帶電積云的電場控制。每當云中發生放電現象時，這些冰晶就會集體改變姿態和太陽光路，瞬間產生明暗變化。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。

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

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，恍如出現了海市蜃樓。2020年5月10日下午，廈門經歷了一場雷暴，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，氣流穩定，因此在夜空中出現了美麗的暖夜燈柱，投射出“天上街市”的盛景。

◎ 來源|北京日報