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

幻日 光學(xué)“魔術(shù)”變出多個(gè)太陽

大氣光學(xué)現(xiàn)象是指光在通過大氣層時(shí)，由于大氣中分子、氣溶膠和云霧等粒子的作用導(dǎo)致的各種光學(xué)現(xiàn)象。這些光學(xué)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(diǎn)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(gè)面，其中兩個(gè)底面平行，6個(gè)側(cè)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(shí)，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(gè)底面和6個(gè)側(cè)面的基本要素都是齊全的。

當(dāng)冰晶在空氣中下落時(shí)，會(huì)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(gè)明顯的柱，就會(huì)橫臥在空中，而如果是個(gè)片，則會(huì)“用臉兜風(fēng)”。所以，當(dāng)氣流穩(wěn)定時(shí)，冰晶片會(huì)緩緩下落，其兩個(gè)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(duì)的無人機(jī)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(shí)，從一個(gè)側(cè)面鉆進(jìn)冰晶，又從夾角60°的另一個(gè)側(cè)面鉆出來。在這個(gè)過程中，陽光會(huì)經(jīng)過兩次折射：進(jìn)去一次、出來一次。經(jīng)過光學(xué)計(jì)算可知，這一進(jìn)一出，總共會(huì)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(cè)面相當(dāng)狹窄，因此這種側(cè)面進(jìn)、側(cè)面出的折射模式對(duì)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(jìn)入不了人的眼睛）。最終呈現(xiàn)的效果是，在太陽左右兩側(cè)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(shí)兩個(gè)假太陽就出現(xiàn)了，如同一場光學(xué)“魔術(shù)”，貢獻(xiàn)了3個(gè)太陽的幻日奇觀。

幻日具有內(nèi)紅外藍(lán)的色彩，這是因?yàn)殛柟馐怯啥喾N色光組成的，不同顏色的光通過空氣和冰的交界時(shí)，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(lán)光偏得較多，可達(dá)22.4°，所以人們看到的藍(lán)光會(huì)比紅光離太陽更遠(yuǎn)一些。事實(shí)上，陽光通過夾角60°的兩個(gè)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(dāng)年做的光譜實(shí)驗(yàn)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(dāng)幻日出現(xiàn)時(shí)，太陽的位置往往并不高。如果在網(wǎng)上搜索“幻日”會(huì)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(gè)小時(shí)；12月3日，黑龍江省遜克縣上空出現(xiàn)雙側(cè)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(shí)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(jié)果，只是它非常黯淡。如果22°幻日非常強(qiáng)烈，還可以嘗試尋找120°幻日，要注意這個(gè)角度已經(jīng)超過90°了，所以需要轉(zhuǎn)過身來背對(duì)太陽，再朝兩側(cè)看。所以，各個(gè)角度看到的幻日是陽光以各種方式折射或反射的結(jié)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(gè)有趣的冷知識(shí)：事實(shí)上，任何兩個(gè)人看到的冰晶暈都是不同的。這是因?yàn)樗麄冋驹诓煌恢?，看到的折射光來自不同冰晶。同樣，站在水邊看到的冰晶?ldquo;倒影”也并不與天上正在發(fā)生的冰晶暈完全對(duì)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(lán)下紅的彩色圓弧，它凸向太陽方向，圓心是天頂。其實(shí)，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(cè)面射出時(shí)發(fā)生的折射與色散（指復(fù)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(shí)，也出現(xiàn)了環(huán)天頂弧。

也許大家會(huì)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(shí)際上，“天比太陽高”只是一個(gè)視覺假象，照射到地球的陽光其實(shí)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(qiáng)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?yàn)樘栐礁?，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(shí)候，則有機(jī)會(huì)在靠近地平線的方向看到另一種彩色冰暈，上紅下藍(lán)，叫作環(huán)地平弧。它是光線從冰晶的側(cè)面射入，從下底面射出后形成的，它的色散也很強(qiáng)烈且十分寬大，完整出現(xiàn)的環(huán)地平弧在視覺上會(huì)更加壯觀。從對(duì)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(huì)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(duì)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(shí)，那么這種22°折射就會(huì)均勻分布在太陽周圍，此時(shí)，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(shí)，受到隨機(jī)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(shí)還會(huì)“表演”衍射效應(yīng)，提醒大家它是一種波。當(dāng)遇到特別細(xì)小的冰晶時(shí)，光線會(huì)直接繞過去。當(dāng)不同波長（不同顏色）的光在不同方向發(fā)生增強(qiáng)或抵消時(shí)，會(huì)形成內(nèi)藍(lán)外紅的日華。日華也是大氣的一種光學(xué)現(xiàn)象，當(dāng)太陽的光線被薄云遮蔽時(shí)，在太陽周圍會(huì)產(chǎn)生一圈彩色光環(huán)，即為日華。特別強(qiáng)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(huì)使光線發(fā)生衍射。只不過，顆粒越小，衍射效應(yīng)越強(qiáng)，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(shí)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(xué)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(duì)側(cè)的雨幕中，而冰晶暈的位置多變，與太陽在同一個(gè)方向的時(shí)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(shí)而直立，時(shí)而躬身，時(shí)而昂首，時(shí)而展臂，像個(gè)專業(yè)模特一樣擺出各種造型。實(shí)際上，云巔閃光也是一種幻日，只是它的冰晶姿態(tài)會(huì)受到下方帶電積云的電場控制。每當(dāng)云中發(fā)生放電現(xiàn)象時(shí)，這些冰晶就會(huì)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(dòng)太遠(yuǎn)，但就像大型活動(dòng)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?cè)斐梢环N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(huì)形成幻月、月暈、月華、環(huán)天頂弧、環(huán)地平弧等現(xiàn)象。有時(shí)，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(shí)，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(duì)流較為強(qiáng)烈，很難讓冰晶的方向一致。但偶爾高空的對(duì)流層寧靜下來時(shí)，這些冰晶就會(huì)在幾千米外的高空組成一個(gè)大鏡面，甚至把整個(gè)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(qiáng)對(duì)流天氣把大量水汽送上高空，傍晚時(shí)雷暴主體消散，但高空風(fēng)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。

科研關(guān)注

大氣光象為氣候研究提供重要依據(jù)

說到這里，大家對(duì)大氣光學(xué)現(xiàn)象中的冰晶暈現(xiàn)象應(yīng)該有了比較深入的了解，但也要當(dāng)心思維定式的陷阱，不能一看到“天上有好幾個(gè)太陽”就斷定是幻日。網(wǎng)上常有人貼出好幾個(gè)太陽成串出現(xiàn)在天空中的照片，個(gè)個(gè)輪廓清晰渾圓，但這種現(xiàn)象其實(shí)是隔著玻璃，甚至是好幾層玻璃看太陽的結(jié)果。太陽被玻璃重重反射之后會(huì)出現(xiàn)一連串，其中最亮并貼著一邊的才是真太陽。所以，對(duì)大氣光學(xué)感興趣的人要注意科學(xué)記錄的方法，在觀測時(shí)需盡量消除不必要的干擾。

前文提到，自然界中的大氣光學(xué)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(cè)呈紅色、內(nèi)側(cè)呈紫色，外側(cè)角半徑約為42°；有時(shí)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(cè)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(duì)一側(cè)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(shí)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(yù)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(yuǎn)處物體的光線經(jīng)過密度分布反常的空氣層時(shí)，發(fā)生顯著折射（或同時(shí)有全反射）使遠(yuǎn)處景物出現(xiàn)位置、形狀、大小變化和晃動(dòng)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(xué)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(guān)注。遠(yuǎn)在3000多年以前的殷墟甲骨文中，就有關(guān)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(shí)，如果西方出現(xiàn)了虹，到中午就要下雨了；關(guān)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(shí)風(fēng)”的說法。雖然人類已經(jīng)認(rèn)識(shí)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(duì)云海，云海上自己影子的周圍會(huì)出現(xiàn)七彩光暈，其成像原理至今還沒有定論，科學(xué)家仍在研究建模，試圖精準(zhǔn)解釋這種現(xiàn)象。

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

（作者為中國科普作家協(xié)會(huì)會(huì)員）