【大气光学】常见冰晶晕介绍
zx-85798 2020-3-17原创 大气科学
中文摘要
冰晶晕(ice crystal halos),亦称大气晕族(atmospheric halos)或冰晕(ice halos),是一类由大气中的冰晶折射和反射光线所形成的光学现象,表现为天空中出现的白色/彩色的光环、光斑和光弧。与虹、华等其他大气光学现象相比,冰晶晕的种类更为多样,形态也更为丰富,具备更高的观赏性。研究冰晶晕,对了解大气各项物理特性,如温度和运动模式等有很大帮助。

由于种种原因,中文世界在这方面的资料较为缺乏,国内大众对此亦不甚了解,媒体相关报道也时有错误。本文将尽可能全面地介绍一些基础知识和常见的冰晶晕。

囿于本人水平,文中可能出现疏漏或错误之处。望各位不吝批评指正。
关键词
冰晶晕大气晕族大气光学
halos

注:下文中的光路图来源于Walter Tape所著的Atmospheric Halos一书以及Arbeitskreis Meteore e.V.网站。冰晶晕模拟图来源于Taivaanvahti网站。文中所有照片的版权归原作者所有


为了帮助理解,首先需要介绍一些基本知识~


①能够形成冰晶晕的冰晶,其尺寸通常在数十微米至数百微米不等,肉眼几乎不可见,需要借助显微镜观察细节。这样的冰晶按其形态主要可以分为三类,分别称作柱状冰晶(column crystals,简称柱晶)、片状冰晶(plate crystals,简称片晶)和锥状冰晶(pyramidal crystals,简称锥晶)。其中柱晶和片晶都是六棱柱形状,只不过是高度和直径之比存在差异。而锥晶则较为罕见,其形态也富于变化(因此,由锥晶形成的冰晶晕也很罕见,不在本文讨论范围内,将来会作介绍)。

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图1 显微镜下的冰晶

②冰晶在大气中下落时,倾向于使自身所受的阻力最大。受其自身形态和大气运动的影响,冰晶在大气中下落时会呈现不同的运动模式,称作取向(orientation)。目前我们所知的典型冰晶取向有五种,前三种很常见,分别是:

random取向(random orientation):冰晶无固定运动方式,在大气中做随机性的运动。

column取向(column orientation):柱晶通常采取的取向。冰晶c轴水平,同时在大气中旋转和翻滚。

plate取向(plate orientation):片晶通常采取的取向。冰晶c轴垂直,同时在大气中旋转。

其余两种取向是以人名命名的,分别是Parry取向(Parry orientation)和Lowitz取向(Lowitz orientation),这两种取向比较罕见,由它们所形成的冰晶晕因此也相对罕见,将来会有文章细致介绍。

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图2 三种常见的取向

当然,实际情况下的取向不可能是完美的,冰晶总会有或大或小的摆动。一般地,摆动越小,形成的晕象就越清晰,观赏性就越高。

③光线依次通过晶体的两个面(一个面射入,一个面射出)时发生两次折射,存在一个最小的偏转角度,称为最小偏向角(minimum deviation angle),在这个角度上出射光线最为密集。它决定了某种冰晶晕到光源的大致距离。最小偏向角的值受折射率和入射面与出射面夹角(记作θw)的影响。

不同颜色的光折射率不同,因而光线折射时会发生色散,使一些冰晶晕带上彩色。规律是:彩色的冰晶晕,靠近太阳的一侧为红色,远离太阳的一侧为蓝色。

不过在粗略计算中,由于不同颜色光折射率差异不大,很少考虑折射率的影响。如果把折射率视为定值的话,最小偏向角就只是θw的函数了。

④光线通过冰晶时发生折射和反射,其路径称为光路(ray path)。一种冰晶晕可以对应一种或几种光路。




下面是正式的介绍~


「60°晶面」


60°晶面冰晶晕的光路是类似的,光线都是从六棱柱冰晶的一个侧面射入,从相间的一个侧面射出,θw为60°。我们可以计算出,此时光线的最小偏向角约为22°。

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图3 60°晶面的光路


22°晕(22°halo)


这是最常见的一种冰晶晕。日常语言中所称的“日晕”“月晕”大多数情况下指的就是22°晕。在中国,它每年可以出现几十乃至上百次。如果你很少见到它,多半是因为留意太阳较少,加之其有时较为微弱的缘故。

22°晕通常出现于卷云或卷层云之上,这类云包含大量微小的冰晶。当看到天空中好像蒙着一层“薄纱”时,就可以留意一下是否有22°晕出现。

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图4 本人拍摄的22°月晕

22°晕是环绕光源、角半径约为22°的晕圈。把手臂伸直,再将五指完全张开,此时大拇指和小指之间的距离,大约就对应着天空中22°晕的半径。

22°晕可以出现一定程度的色散。当然,若冰晶质量不佳或光源强度较弱,色散可能不明显。


22°幻日(22° parhelia, sundogs)


22°幻日也是最为常见的冰晶晕之一,仅次于22°晕。在中国大部分地区每年可出现数十次。

22°幻日表现为居于光源两侧的两个对称的亮斑。媒体报道中常说的“三个太阳”,左右两个太阳即是22°幻日。太阳高度较低时,幻日出现在22°晕上;随太阳高度增大,其相对太阳的张角也变大,光强亦逐渐减弱,太阳高于40°时已经非常暗弱,几乎不可见。

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图5 22°幻日(右侧)

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图6 本人拍摄的22°幻日(左侧)

我们可以把22°幻日叫做22°plate弧,因为它是由plate取向的片晶形成的。

22°幻日可出现较为明显的色散,带有鲜艳的色彩。


上/下切弧(upper/lower tangent arc)和外接晕(circumscribed halo


我们也可以把它们叫做22°column弧,因为它们由column取向的冰晶所形成。

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图7 上切弧

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图8 下切弧

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图9 外接晕


上/下切弧是常见冰晶晕里形态最特殊的一种,其形态受太阳高度影响极大。太阳高度较低时,它们是分离的V字形光晕,分别居于22°晕的上下两侧。当太阳高于约35°时,二者连为一体,变成套在22°晕周围的类椭圆形的晕圈,称为外接晕。且太阳越高,外接晕就越圆,达到90°时和22°晕完全重合。

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图10 上/下切弧的形态随太阳高度的变化。模拟程序:HaloPoint

外接晕和22°晕同时出现时,其强度通常要高于后者。


「90°晶面」


90°晶面冰晶晕的光路也是类似的。六棱柱形冰晶侧面与底面的夹角为90°,光线从这样的一个面射入,从另一个面射出,即θw为90°。此时光线的最小偏向角约为46°。

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图11 90°晶面的光路


46°晕(46° halo)


46°晕是环绕于光源周围的很大的晕圈,由随机取向的冰晶形成。它的角半径是22°晕的两倍有余,因而能够覆盖天空中相当广大的面积。普通的手机或相机镜头难以一次拍全。

与22°晕相比,46°晕要罕见许多。由于能够通过46°晕光路的光线被局限于较小的角度和宽度范围内,它注定较为暗弱。同时,由于其所在的天空范围很大,它也更加难以被注意到。

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图12 22°晕外部暗弱的46°晕

当出现较强的22°晕时,可以留意是否有46°晕的出现。


环天顶弧(circumzenithal arc, CZA)


环天顶弧表现为凸向光源、环绕天顶的彩色光弧。它不算罕见,留心观察每年都可以看到几次。

环天顶弧属于46°plate弧,它通常由plate取向的片晶形成。光线从冰晶的上底面射入,经折射从一个侧面射出。

环天顶弧的色散程度很高,色彩十分鲜艳。中国古代称其为“日承”。所谓“倒挂彩虹”“微笑彩虹”“天空的微笑”等俗称指的都是环天顶弧。

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图13 色彩鲜艳的环天顶弧

随太阳升高,环天顶弧的半径逐渐减小。它只能在太阳低于32°时出现


环地平弧(circumhorizontal arc, CHA)


环地平弧是略凹向光源、出现于地平线附近的彩色光弧。它十分宽大,如果完整地出现会非常壮观。

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图14 云层中的环地平弧

环地平弧的色散程度也很高,中国古代称其为“日载”。它也有“火彩虹”等俗称。

环地平弧属于46°plate弧。它通常由plate取向的片晶形成。光线从冰晶的一个侧面射入,经折射从下底面射出。

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图15 近期新番《恋爱小行星》第10话中出现了环地平弧

环地平弧只能在太阳高于58°时出现。因此高纬度地区较难观测到环地平弧。


上/下侧弧(supralateral / infralateral arc


上/下侧弧是46°column弧,表现为太阳上部、两侧或下部的彩弧。它们的色散程度高,色彩非常鲜艳,常被误认为彩虹。

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图16 上/下侧弧

太阳高度较低时,下侧弧的两段是分离的,分别居于太阳的左下侧和右下侧。太阳高于约60°时,两段合为一体。

上侧弧与46°晕有时容易混淆。区别方法是,46°晕是正圆形,而上侧弧的曲率与其有差别。上侧弧通常比46°晕更为显眼。

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图17 上/下侧弧的形态随太阳高度的变化。模拟程序:HaloPoint

与环天顶弧类似,太阳高于32°时,上侧弧无法形成

下侧弧与环地平弧相切,有时亦难以分辨。二者同时出现时,下侧弧的两端居于环地平弧之上。


「其他」


这些冰晶晕的光路中包含反射,实际上并不符合国外所定义的“常见冰晶晕”。但是它们的光路相对简单,出现频率也比其他罕见冰晶晕高得多,故放在这里一并介绍。


幻日环(parhelic circle, PHC)


幻日环是贯穿太阳、与太阳高度一致的白色圆环,也就是古代所说的“白虹贯日”。它的大小会随太阳高度发生巨大的变化:太阳较低时居于地平线附近,环绕全天;太阳较高时收缩得很小,甚至可以完全处于22°晕以内。

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图18 较低角度下的幻日环

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图19 高角度下的幻日环

幻日环主要由plate取向的片晶和column取向的柱晶形成。有许多条光路都可形成幻日环,主要的光强由其中两条贡献:一条是光线仅在冰晶侧面经历一次外反射;另一条是光线经历一次内反射。

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图20 幻日环的几条光路

在幻日环上还会出现其他的冰晶晕,如120°幻日、Liljequist幻日。


120°幻日(120° parhelia)


120°幻日出现在幻日环上与光源相距120°的位置,是两个白色的亮斑。

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图21 箭头所指处即为一个120°幻日

120°幻日由plate取向的片晶形成。通常的光路是:光线从冰晶的上底面射入,在两个相邻的侧面经历两次内反射,再从下底面射出,水平方向的偏转角始终为120°。

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图22 120°幻日的光路

当观察到强烈的22°幻日时,可以留意是否有120°幻日出现。


日柱(sun pillar)


日柱是出现于太阳上侧/下侧的光柱,颜色与日光相同。它通常在日落时,尤其是太阳已落入地平线以下时最为明显。

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图23 日落时出现的日柱

最常见的一种日柱是plate日柱,它由片晶形成。光线在冰晶底面经历一次外反射,或从侧面射入,在底面经历一次内反射后射出。

与其他冰晶晕不同,日柱的形成对冰晶取向没有十分严苛的要求,甚至雪花也可以形成日柱。

此外,column取向和Lowitz取向的冰晶也能够形成日柱。

类似地,在寒冷地区的夜晚,若近地面的空气中悬浮有大量的冰晶,人造光源也可以形成光柱(light pillar),非常壮观。我国内蒙古、东北地区的冬季时常会出现这种现象。

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图24 寒冷地区夜晚出现的光柱,街灯充当光源


映日(subsun)


映日是一种出现于地平线以下(当光源在地平线以上时)的冰晶晕,因此要想观测到映日,最佳的地点是飞机上或高山地区。

映日出现于太阳的正下方,与太阳到地平线的距离相等,是一个明亮的光斑。大多数情况下,它在垂直方向上趋向于伸长。

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图25 飞机上拍到的映日,同时还出现了映22°幻日

映日由plate取向的冰晶形成,光线在冰晶上表面经历一次外反射,或从一个侧面射入,在下表面经历一次内反射后从另一侧面射出。

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图26 映日的光路

[修改于 2 个月前 - 2020-04-15 00:08:48]

来自:地球科学 / 大气科学
 
9
2020-3-17 8:56:13
zx-85798(作者)
1楼

此处感谢@叶卡捷琳娜三世@旅者工艺@154454496 等人的帮助与支持。

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2020-3-17 9:05:19
2楼

支持w

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3楼

长知识了。

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4楼

唔其实sub-一类的解释起来有点歧义唔

因为比如映日也不一定出现在地平线以下,

当光源本身就位于地平线以下时,映日反而出现在地平线以上

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zx-85798(作者)
5楼

哎呀呀忘了解释这一点(捂脸

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6楼

好耶!qwq

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7楼

IMG20190508120602.jpg

附一张环地平弧的照片喵

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2
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154454496
8楼

前来报到!话说大气科学区果然冷。

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2020-03-18 14:59:31
2020-3-18 14:59:31
9楼

颜色鲜明的一般是上侧弧




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zx-85798(作者)
10楼
引用叶卡捷琳娜三世发表于9楼的内容
颜色鲜明的一般是上侧弧

感谢,已补充

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2020-03-19 16:38:55
2020-3-19 16:38:55
11楼
引用zx-85798发表于10楼的内容
感谢,已补充

呜喵~

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12楼

感谢科普,文章写的通顺流畅结构紧凑,配图也相当精彩。

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3
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2020-03-20 11:09:29
13楼

恭喜成为精品

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