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編者按：看寒來(lái)暑往云卷云舒，思古往今來(lái)氣候變遷，中科院之聲與中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所聯(lián)合開(kāi)設(shè)“大氣悟理”，為大家介紹大氣里發(fā)生的有趣故事，介紹一些與天氣、氣候和環(huán)境相關(guān)的知識(shí)。

2月2日上午，北京天空出現(xiàn)的幻日奇觀引起網(wǎng)友們的轉(zhuǎn)發(fā)熱潮，但大多數(shù)網(wǎng)友對(duì)其形成原因卻不甚了解。今天就讓我們來(lái)具體看看這樣酷炫綺麗的天象是如何形成的吧。

（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

(資料圖)

幻日出現(xiàn)時(shí)，在太陽(yáng)的附近同一水平高度上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)明亮的光斑，看起來(lái)如同太陽(yáng)的“分身”一般?；萌赵谟⑽闹蟹Q為“sundog”，這一名字的由來(lái)可追溯至希臘神話。相傳在希臘神話中，作為眾神之父和天空之神的宙斯常常在天空中遛狗，它們出現(xiàn)時(shí)太陽(yáng)的附近就出現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)“假太陽(yáng)”。

（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

形成幻日現(xiàn)象需要天空中存在卷層云。卷層云屬于高云族，云底高度在5000m以上。在這樣的高度上，大氣溫度低，因此卷層云的云體結(jié)構(gòu)全部由冰晶組成，通常呈半透明狀。這樣的卷層云仿佛一層覆蓋在天上的薄紗，能夠讓天空變?yōu)槿榘咨?/p>

卷層云圖例（圖片來(lái)源：weatherwizkids.com）

在卷層云的云體中漂浮著大量的六角形片狀冰晶體，這樣扁平的形狀能夠使它們水平地漂浮在空中。當(dāng)這些六角形片狀冰晶體在豎直方向上整齊地排列在空中時(shí)，就能夠像三棱鏡一樣對(duì)太陽(yáng)光進(jìn)行規(guī)律的折射。

具體來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)光從冰晶體的某一側(cè)面進(jìn)入冰晶體，由于陽(yáng)光在空氣和冰晶體中的傳播速度不同，其傳播方向會(huì)在空氣與冰晶體的交界處改變，發(fā)生第一次折射。同樣地，當(dāng)陽(yáng)光從冰晶體的另一側(cè)面射出進(jìn)入空氣時(shí)，其傳播方向再一次改變，即發(fā)生第二次折射。

太陽(yáng)光在六角形片狀冰晶體中的折射情況（圖片來(lái)源：NASA）

兩次折射使得射出冰晶體的太陽(yáng)光與原本的光路在水平方向上偏轉(zhuǎn)約22°。當(dāng)大量被折射的光線聚集在一起進(jìn)入到人眼后，就會(huì)讓人們以為在折射出來(lái)的太陽(yáng)光的背后存在著一個(gè)和太陽(yáng)一樣的光源，但實(shí)際上這是太陽(yáng)的“虛像”。因?yàn)橛^測(cè)者與幻日所形成的視角半徑為22°，所以將這樣的幻日現(xiàn)象稱為22°幻日。

形成幻日現(xiàn)象的原理圖（圖片來(lái)源：asymptotia，本文作者漢化）

觀測(cè)者可以用一種簡(jiǎn)單有效的方法來(lái)判斷出現(xiàn)的幻日是否為22°幻日，即伸直手臂，張開(kāi)五指，讓大拇指指尖對(duì)齊太陽(yáng)，如果幻日出現(xiàn)在小指指尖所在位置附近，則為22°幻日。

判斷22°幻日的方法（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

幻日在水平方向上存在明顯的顏色分布：靠近真實(shí)太陽(yáng)的一側(cè)為橙紅色，隨著遠(yuǎn)離太陽(yáng)顏色漸變?yōu)樽纤{(lán)色。這樣的顏色分布是由于構(gòu)成太陽(yáng)光的各種顏色的光的頻率不同所導(dǎo)致的。光的頻率與其折射程度成正比。在可見(jiàn)光光譜中，紅光的頻率較低，因此折射程度較小，即偏離原本光路的程度較低。相反，藍(lán)光的頻率較高，折射程度較大，因此藍(lán)光偏離原本光路的程度較大，即更遠(yuǎn)離太陽(yáng)。

幻日中的顏色分布（圖片來(lái)源：Scienceabc）

在中緯度地區(qū)，幻日一般出現(xiàn)在清晨或薄暮。這是因?yàn)楫?dāng)太陽(yáng)靠近地平線時(shí)，太陽(yáng)光的水平分量最大，即能夠垂直穿過(guò)冰晶體的太陽(yáng)光最強(qiáng)，形成的幻日強(qiáng)度最強(qiáng)。隨著太陽(yáng)的升起，太陽(yáng)光傾斜角度增大，穿過(guò)冰晶體的太陽(yáng)光則會(huì)減弱。當(dāng)太陽(yáng)高度角大于60°時(shí)，幻日就會(huì)變得非常微弱近乎消失。

阿拉斯加上空的幻日現(xiàn)象（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

從上述的形成原理可知，幻日的出現(xiàn)對(duì)氣象條件的要求較為苛刻，需要穩(wěn)定的大氣層、適量的卷層云以及合適的冰晶角度，并且還與觀測(cè)者相對(duì)于太陽(yáng)的位置有關(guān)。因此幻日現(xiàn)象較為罕見(jiàn)，并且持續(xù)時(shí)間也不會(huì)太長(zhǎng)，最長(zhǎng)能夠維持不過(guò)幾十分鐘。北半球寒冷的冬季早晨是出現(xiàn)幻日的理想時(shí)間，這時(shí)人們成為捕捉到幻日現(xiàn)象的“幸運(yùn)兒”的幾率更高。

幻日的最終呈現(xiàn)效果與冰晶體的大小以及狀態(tài)密切相關(guān)。冰晶體下落時(shí)很少能夠保持完全水平，它們?cè)谙侣溥^(guò)程中會(huì)發(fā)生搖晃和轉(zhuǎn)向，這會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)光向各個(gè)方向折射。在這種情況下，光線難以聚集到一個(gè)點(diǎn)上，而是均勻地分散在太陽(yáng)的周?chē)?，從而就形成了出現(xiàn)在太陽(yáng)周?chē)摹⒁蕴?yáng)為圓心的、呈內(nèi)紅外紫的日暈。

日暈現(xiàn)象（圖片來(lái)源：中國(guó)天氣網(wǎng)）

除了幻日外，還有月亮形成的幻月。不同于幻日的是，幻月只有在接近滿月時(shí)才會(huì)出現(xiàn)，在其他時(shí)候，月亮反射的太陽(yáng)光較弱，即使發(fā)生幻月了肉眼也難以看見(jiàn)。

幻月現(xiàn)象（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

古籍中存在不少對(duì)幻日現(xiàn)象的記載，比如《春秋：潛潭巴》中記有：“兩日并處，地裂水不流?！痹诒疚牡淖詈?，我們可以猜測(cè)，在后羿射日的神話故事中，或許當(dāng)時(shí)天上并非真的出現(xiàn)了十個(gè)太陽(yáng)，而可能是古人對(duì)于當(dāng)時(shí)在特殊的大氣條件下出現(xiàn)的幻日現(xiàn)象作出的充滿神話色彩的理解與想象。

參考材料：

1. Forster, Linda; Seefeldner, Meinhard; Wiegner, Matthias; Mayer, Bernhard (2017): Ice crystal characterization in cirrus clouds: a sun-tracking camera system and automated detection algorithm for halo displays. In: Atmospheric Measurement Techniques, Vol. 10, No. 7: pp. 2499-2516.

2.https://www.scienceabc.com/nature/sun-dogs-what-are-they-and-how-are-they-formed.html

3. https://atoptics.co.uk/halo/dogfm.htm

4. https://www.nasa.gov/mission_pages/sdo/news/sundog-mystery.html

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所

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