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編者按：看寒來暑往云卷云舒，思古往今來氣候變遷，中科院之聲與中國科學(xué)院大氣物理研究所聯(lián)合開設(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。

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)友對其形成原因卻不甚了解。今天就讓我們來具體看看這樣酷炫綺麗的天象是如何形成的吧。

（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

(資料圖)

幻日出現(xiàn)時，在太陽的附近同一水平高度上會出現(xiàn)一個或多個明亮的光斑，看起來如同太陽的“分身”一般。幻日在英文中稱為“sundog”，這一名字的由來可追溯至希臘神話。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)時太陽的附近就出現(xiàn)一個或多個“假太陽”。

（圖片來自網(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，就能夠像三棱鏡一樣對太陽光進行規(guī)律的折射。

具體來說，太陽光從冰晶體的某一側(cè)面進入冰晶體，由于陽光在空氣和冰晶體中的傳播速度不同，其傳播方向會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)陽光從冰晶體的另一側(cè)面射出進入空氣時，其傳播方向再一次改變，即發(fā)生第二次折射。

太陽光在六角形片狀冰晶體中的折射情況（圖片來源：NASA）

兩次折射使得射出冰晶體的太陽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入到人眼后，就會讓人們以為在折射出來的太陽光的背后存在著一個和太陽一樣的光源，但實際上這是太陽的“虛像”。因為觀測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（圖片來源：asymptotia，本文作者漢化）

觀測者可以用一種簡單有效的方法來判斷出現(xiàn)的幻日是否為22°幻日，即伸直手臂，張開五指，讓大拇指指尖對齊太陽，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：靠近真實太陽的一側(cè)為橙紅色，隨著遠(yuǎn)離太陽顏色漸變?yōu)樽纤{(lán)色。這樣的顏色分布是由于構(gòu)成太陽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。

幻日中的顏色分布（圖片來源：Scienceabc）

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

阿拉斯加上空的幻日現(xiàn)象（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

從上述的形成原理可知，幻日的出現(xiàn)對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，并且還與觀測者相對于太陽的位置有關(guān)。因此幻日現(xiàn)象較為罕見，并且持續(xù)時間也不會太長，最長能夠維持不過幾十分鐘。北半球寒冷的冬季早晨是出現(xiàn)幻日的理想時間，這時人們成為捕捉到幻日現(xiàn)象的“幸運兒”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)。冰晶體下落時很少能夠保持完全水平，它們在下落過程中會發(fā)生搖晃和轉(zhuǎn)向，這會導(dǎo)致太陽光向各個方向折射。在這種情況下，光線難以聚集到一個點上，而是均勻地分散在太陽的周圍，從而就形成了出現(xiàn)在太陽周圍的、以太陽為圓心的、呈內(nèi)紅外紫的日暈。

日暈現(xiàn)象（圖片來源：中國天氣網(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才會出現(xiàn)，在其他時候，月亮反射的太陽光較弱，即使發(fā)生幻月了肉眼也難以看見。

幻月現(xiàn)象（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

古籍中存在不少對幻日現(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，在后羿射日的神話故事中，或許當(dāng)時天上并非真的出現(xiàn)了十個太陽，而可能是古人對于當(dāng)時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

來源：中國科學(xué)院大氣物理研究所

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