【大气光学】罕见冰晶晕介绍·不定期连载
Hannah 2020-3-20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。

本人在上一篇文章中介绍了一些常见的冰晶晕,但这远不是全部的冰晶晕种类。有更多罕见冰晶晕的形态更为特别,也更为壮观。甚至有一些种类,人类直至今日也没能完全阐明其形成机制。尽管罕见,但这些冰晶晕中的许多种类在我国都不乏观测记录。所以只要留心观察,或许某一天奇迹就会在你眼前发生。

我愿意把冰晶晕称之为“天空的万花筒”。大气运动变幻莫测,总有一些瞬间它会向人们展现其美丽动人的一面。希望能通过本文的介绍,让你眼中的世界变得更有趣一点。

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


在上一篇文章中我们提到,除了random、plate和column三种常见的取向,冰晶还存在两种罕见取向——Parry取向和Lowitz取向




「Parry取向」


这一取向的名称来源于19世纪英国的极地探险家、海军少将William Edward Parry(1790-1855)。Parry一生最为出名的成就是他对西北航道的探索。


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图1 W. E. Parry


1820年4月8日,Parry在加拿大北极地区的Melville岛附近冰封的海面上观测到了一次冰晶晕,并为其绘制了简图。从图中我们可以看到,在上切弧的上方还存在着一条光弧,这是先前未曾记录过的。后人经过研究发现,形成这条弧的冰晶取向不同于之前所讲的三种常见取向,遂将其命名为Parry取向


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图2 Parry绘制的简图


Parry取向要求六棱柱冰晶的c轴保持水平,与column取向不同的是,同时还要有一个侧面也保持水平,如下图所示。


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图3 Parry取向


「60°晶面」


与前文所述一样,光线从冰晶的一个侧面射入,经折射从相间的侧面射出,因此所形成的冰晶晕称为22°Parry弧


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图4 四种Parry弧的光路


22°Parry弧分为四种,习惯上按其位置和弯曲方向分别称为上凸(upper sunvex)、上凹(upper suncave)、下凸(lower sunvex)、下凹(lower suncave)Parry弧。注意这里的“凹凸”是相对太阳而言的,也就是凸向太阳时称作“凸”,凹向太阳时称作“凹”。


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图5 上凹Parry弧

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图6 上凸和上凹Parry弧同时出现

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图7 下凸Parry弧


四种Parry弧里最为常见的大概是上凹Parry弧,也就是当年Parry画下的那一种。最罕见的是下凹Parry弧。


Parry弧的形态随太阳高度的变化而变化。高太阳角下的Parry弧更为罕见,世界范围内的照片记录也寥寥无几。


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图8 上凹Parry弧的形态随太阳高度的变化。模拟程序:HaloPoint

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图9 上凸Parry弧的形态随太阳高度的变化。模拟程序:HaloPoint

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图10 下凹Parry弧的形态随太阳高度的变化。模拟程序:HaloPoint

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图11 下凸Parry弧的形态随太阳高度的变化。模拟程序:HaloPoint


「90°晶面」


光线通过六棱柱冰晶的两个相互垂直的面时,所形成的冰晶晕可以叫做46°Parry弧或者Parry上/下侧弧。不过,我们更习惯使用的是它们的另一个名字——Tape弧(Tape arcs)。顾名思义,这里的Tape指的是 磁带 冰晶晕研究领域的专家之一,阿拉斯加大学的数学系教授Walter Tape。


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图12 上/下Tape弧的光路

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图13 上Tape弧

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图14 下Tape弧


与上/下侧弧相比,Tape弧要不起眼得多。如果冰晶的取向不佳,你可能会看到上/下侧弧上的某个位置出现亮度的增强,这就是Tape弧。当取向很好时,就可以看到它们的真容——勾形的光弧。出现在上/下侧弧上的Tape弧,分别叫做上Tape弧下Tape弧


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图15 上Tape弧的形态随太阳高度的变化。模拟程序:HaloPoint

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图16 下Tape弧的形态随太阳高度的变化。模拟程序:HaloPoint


此外,当上/下Tape弧的光路逆过来,还可以形成一组Tape弧,称为次上/次下(upper/lower secondary)Tape弧。次上Tape弧只有当光源低于地平线时才会出现,而次下Tape弧总是出现于地平线以下。这导致它们很难被观测到。


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图17 次上Tape弧的形态随太阳高度的变化。模拟程序:HaloPoint

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图18 次下Tape弧的形态随太阳高度的变化。模拟程序:HaloPoint


「Lowitz取向」


这一取向的名称来源于18世纪的俄国博物学家Tobias Lowitz(1757-1804)。1790年6月18日上午,在俄国圣彼得堡,他目睹了一次极为壮观的组合冰晶晕,并留下了绘图。这次冰晶晕被后人称作“圣彼得堡晕景”(St. Petersburg Display)。


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图19 Lowitz绘制的简图


在他的绘图中,我们可以看到22°幻日的下部有一对奇怪的光弧。后人经过研究发现,要想形成这种冰晶晕,冰晶就要拥有另一种奇怪的取向。目前大多数学者认为它是这样的:晶体的一根a轴需要保持水平,同时晶体还要围绕它作往复的剧烈摆动和旋转,如下图所示。这种取向不太符合人们所知的空气动力学原理,但它的确存在。这就是Lowitz取向它比Parry取向还要罕见得多


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图20 Lowitz取向


「60°晶面」


60°晶面所形成的冰晶晕是22°Lowitz弧,它分为三种:上Lowitz弧中Lowitz弧(也叫环形Lowitz弧)和下Lowitz弧。Lowitz所绘制的应为下Lowitz弧。


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图21 Lowitz弧的光路(俯视)。A为上Lowitz弧,B为下Lowitz弧,C为中Lowitz弧


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图22 1为上Lowitz弧,2为下Lowitz弧,3为中Lowitz弧


实际情况下,Lowitz弧通常不甚明显。如果怀疑有Lowitz弧的存在,应着力观察22°幻日的附近是否有延伸出来的光弧。


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图23 上Lowitz弧的形态随太阳高度的变化。模拟程序:HaloPoint

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图24 中Lowitz弧的形态随太阳高度的变化。模拟程序:HaloPoint

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图25 下Lowitz弧的形态随太阳高度的变化。模拟程序:HaloPoint


「90°晶面」


90°晶面所形成的冰晶晕是46°Lowitz弧,或者叫做46°接触弧(46° contact arcs)。这种弧在实际情况下通常极为暗弱,比22°Lowitz弧还要罕见得多,直到2006年人类才首次拍摄到其照片。但它的存在早已被理论所预见。美国著名气象学家Robert Greenler在其1980年出版的《虹·晕·宝光》(Rainbows, Halos, and Glories)一书中即对它有专门论述。


下图是46°Lowitz弧的光路。图中每个数字都对应着一对光弧。


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图26 46°Lowitz弧的光路

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图27 46°Lowitz弧为数不多的几张照片之一

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图28 46°Lowitz弧。注意图中还有高品相的上Lowitz弧

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图29 46°Lowitz弧的形态随太阳高度的变化。模拟程序:HaloPoint


Parry取向和Lowitz取向所形成的冰晶晕不止以上这些。若光路中包含反射,会形成更多种类的冰晶晕。


「与太阳有关的四个点&与其相关的冰晶晕」


研究冰晶晕时,我们需要用到天球这一模型。这里的天球是以观察者的眼为球心的,而太阳则在球面上运动。


天球上存在四个与太阳有关的点,分别是:


太阳所在的点(helic point):太阳所处的位置。

反日点(anthelic point):和太阳处于同一高度,位于其对侧的点。

下日点(subhelic point):和太阳关于地平线对称的点。

对日点(subanthelic point或antisolar point):和反日点关于地平线对称的点。


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图30 天球


偕日弧(helic arc)


偕日弧的形态很有趣:太阳较低时,它穿过太阳并在其上方绕一圈,好像打了个结一般。随太阳升高,这个结逐渐变小,直至偕日弧脱离太阳。


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图31 偕日弧的形态随太阳高度的变化。模拟程序:HaloPoint


偕日弧一般非常暗弱,自然状态下肉眼可见的偕日弧比较少见。


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图32 暗弱的偕日弧


偕日弧通常由Parry取向的冰晶形成。它的光路有多条,最简单的一条是光线仅在冰晶的一个侧面经历一次外反射。


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图33 偕日弧的光路


下日弧(subhelic arc)


也叫做映偕日弧。它穿过下日点并倾斜于地平线环绕天空一圈。下日弧由column取向的冰晶形成,光路是:光线从一个底面射入,在侧面经历两次内反射后从另一个底面射出。


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图34 下日弧的光路

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图35 下日弧

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图36 下日弧的形态随太阳高度的变化。模拟程序:HaloPoint


这种弧在上世纪早期曾被认为过于暗弱以致不可见,但后来人们先后在南极和其他许多地方记录到了它的存在。


反日弧(anthelic arcs)


目前为止,人们共发现了五种反日弧。


Wegener反日弧

此弧以德国气象学家A. L. Wegener(1880-1930)命名(对,就是提出大陆漂移学说的那个Wegener,他对冰晶晕也颇有研究)。这是反日弧中最常见的一种,由column取向的冰晶形成。


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图37 Wegener反日弧

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图38 Wegener反日弧的光路

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图39 Wegener反日弧的形态随太阳高度的变化。模拟程序:HaloPoint


Wegener反日弧与22°column弧相切。太阳较低时它仅局限于穿过反日点,但太阳较高时可以再次环绕天空一圈。


虽然Wegener反日弧通常是白色的,但其有时亦可以带上彩色。


Hastings反日弧

此弧以20世纪上半叶的学者C. S. Hastings命名。它的光路与Wegener反日弧一致,只不过形成它的冰晶为Parry取向而非column取向。


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图40 Hastings反日弧

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图41 Hastings反日弧的光路

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图42 Hastings反日弧的形态随太阳高度的变化。模拟程序:HaloPoint


由于光路相似,Hastings反日弧和Wegener反日弧的形态也很相像。不同的是,Hastings反日弧与Parry弧相切。


Tricker反日弧

此弧以20世纪下半叶的学者R. A. R. Tricker命名。它的光路十分复杂,光线在冰晶内表面经历多次反射,好像万花筒一般,故得名“Tricker万花筒式光路机制”。它的形态也很特别,像是在反日点打了一个小结。


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图43 Tricker反日弧的形态随太阳高度的变化。模拟程序:HaloPoint

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图44 Tricker反日弧的两条光路


Tricker反日弧非常罕见,目前我国的记录不超过5笔。它通常在大规模的组合冰晶晕中出现。


此外,Tricker反日弧始终与下日弧相切。


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图45 2018年内蒙古海拉尔的组合冰晶晕中,Tricker反日弧清晰可见


Greenler弥散反日弧Tränkle弥散反日弧

1984年,R. Greenler和E. Tränkle在Nature上发表了一篇论文。他们通过计算机模拟识别出了两种新的弥散反日弧(diffuse anthelic arcs),并从以往的照片记录中确认了它们的存在。原文中这两种反日弧被简单地称为Diffuse-A和Diffuse-B,后来人们就将它们叫做Greenler弥散反日弧和Tränkle弥散反日弧。


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图46 两种弥散反日弧的形态随太阳高度的变化。模拟程序:HaloPoint

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图47 Tricker、Greenler、Tränkle三种反日弧同时出现的情形

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图48 Greenler弥散反日弧(上)和Tränkle弥散反日弧(下)的光路


这两种反日弧通常一同出现,比较难以分别。


对日弧(subanthelic arc / antisolar arc)


对日弧是穿过对日点的光弧。它的光路也比较复杂,如下图所示。


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图49 对日弧的两条光路


对日弧在自然状态下常见于极地和高纬度地区的钻石尘中,在世界其他地方的记录很少。


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图50 反日点附近的多种冰晶晕


对日弧始终与偕日弧相切。


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图51 对日弧的形态随太阳高度的变化。模拟程序:HaloPoint


「其他种类」


Liljequist幻日(Liljequist parhelia)


这种冰晶晕以瑞典气象学家G. H. Liljequist(1914-1995)命名。他于1951年首次记述了这一现象。

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图52 Liljequist绘制的简图


Liljequist幻日表现为幻日环上靠近反日点处,两个较宽的亮度增强区域。它的主要光路是:光线从plate取向冰晶的一个侧面射入,经历三次内反射后再从同一个面射出。


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图53 Liljequist幻日的光路(俯视)

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图54 Liljequist幻日的形态随太阳高度的变化。模拟程序:HaloPoint


Liljequist幻日只能在太阳低于32°时出现。


蓝环/蓝斑(blue circle / blue spot)


蓝环是一个以对日点为中心、角半径约为64°的晕圈。它由random取向的冰晶形成,光路如下图,其中包含一次全反射。它由于临界角效应而呈现出蓝色。


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图55 蓝环的光路


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图56 蓝环的形态随太阳高度的变化。模拟程序:HaloPoint


当太阳低于32°时,蓝环会与幻日环相交。通常,蓝环的大部分在强烈的阳光下近乎不可见,但其与幻日环相交的部分会将幻日环染成明显的蓝色,从而得以用肉眼看到,这就是所谓的幻日环蓝斑


蓝斑也可以由plate取向的冰晶按照以上光路形成。


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图57 幻日环蓝斑


Kern弧(Kern arc)


1895年,一个名叫H. F. A. Kern的荷兰人,声称他看到了一种奇观:环天顶弧延长为一个完整的圆环。自那以后,至少又有六起类似的目击报告,其中最著名的莫过于1970年12月3日发生于加拿大萨斯卡通的一次冰晶晕——萨斯卡通晕景(Saskatoon Display)。


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图58 萨斯卡通晕景的简图,k为Kern弧


1971年,我们在前面提到过的R. A. R. Tricker等人,提出了Kern弧的形成理论。它可以由plate取向的片晶所形成,但特别的是,冰晶越厚、形态越接近于三棱柱,就越有利于Kern弧的形成。


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图59 Kern弧的光路


2007年,芬兰冰晕专家Marko Mikkilä终于拍到了第一张Kern弧的照片,结束了长达百余年的争论,证实了它的存在。


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图60 首张Kern弧的照片


理论上,环地平弧也会有它的Kern弧,但其形成条件过于苛刻,目前还缺乏照片记录。


「锥晶晕族」


我们在前面提到过,大气中除了片晶和柱晶之外,还存在一类罕见的冰晶——锥晶。与片晶和柱晶相比,锥晶拥有更多的晶面(最多可以有20个)。


光线以不同的光路通过锥晶时会出现不同的θw值,进而产生不同的最小偏向角,从而形成与前文所述冰晶晕相异的晕象。正因如此,锥晶晕还有另一个名字——异径晕(odd radius halos)。


历史上,人们对锥晶的晶面夹角进行了艰辛的探索,最终得出结论:锥晶锥面的Miller指数属于{1 0 -1 1}型,锥面与晶体c轴的夹角约为28°。这样,锥晶各面之间的夹角也就唯一确定。我们按照下图将锥晶的晶面编号,这样,光路就可以用一列有序的数来表示了。


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图61 锥晶的晶面编号


光线通过锥晶时可以有六种不同于常见晕的光路,相关的θw和对应最小偏向角δmin的值如下表所示(计算中取n=1.309)。


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表1 锥晶晕族的光路和最小偏向角


(待续)

[修改于 4 天前 - 2020-03-26 10:24:28]

来自:地球科学 / 大气科学
7
2020-3-20 20:51:21
Hannah(作者)
1楼

没有介绍的冰晶晕还有很多,我会努力更新的......喵~

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3楼

磁带划掉的那条横线不是很明显,建议加个空格

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Hannah(作者)
4楼
引用 旅者工艺 发表于 3 楼的内容:
磁带划掉的那条横线不是很明显,建议加个空格支持

已添加(话说这滑稽好大

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5楼

看着您佬惊人的更新速度抱着我的水滴光学现象介绍草稿瑟瑟发抖

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2020-03-24 16:36:17
2020-3-24 16:36:17
6楼

唔!!还在更新!

我已经因为水滴光学的文自闭了。

顶一下

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2020-03-25 08:54:19
Hannah(作者)
7楼

这个帖子好像被大佬们发现了...瑟瑟发抖

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