天上的三個“太陽”，並不都是太陽丨大氣悟理_風聞

編者按：看寒來暑往雲捲雲舒，思古往今來氣候變遷，中科院之聲與中國科學院大氣物理研究所聯合開設“大氣悟理”，為大家介紹大氣裏發生的有趣故事，介紹一些與天氣、氣候和環境相關的知識。

2月2日上午，北京天空出現的幻日奇觀引起網友們的轉發熱潮，但大多數網友對其形成原因卻不甚瞭解。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。

（圖片來自網絡）

幻日出現時，在太陽的附近同一水平高度上會出現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，它們出現時太陽的附近就出現一個或多個“假太陽”。

（圖片來自網絡）

形成幻日現象需要天空中存在卷層雲。卷層雲屬於高雲族，雲底高度在5000m以上。在這樣的高度上，大氣温度低，因此卷層雲的雲體結構全部由冰晶組成，通常呈半透明狀。這樣的卷層雲彷彿一層覆蓋在天上的薄紗，能夠讓天空變為乳白色。

卷層雲圖例（圖片來源：weatherwizkids.com）

在卷層雲的雲體中漂浮着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，就能夠像三稜鏡一樣對太陽光進行規律的折射。

具體來説，太陽光從冰晶體的某一側面進入冰晶體，由於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，發生第一次折射。同樣地，當陽光從冰晶體的另一側面射出進入空氣時，其傳播方向再一次改變，即發生第二次折射。

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約22°。當大量被折射的光線聚集在一起進入到人眼後，就會讓人們以為在折射出來的太陽光的背後存在着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象稱為22°幻日。

形成幻日現象的原理圖（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（圖片來自網絡）

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幻日在水平方向上存在明顯的顏色分佈：靠近真實太陽的一側為橙紅色，隨着遠離太陽顏色漸變為紫藍色。這樣的顏色分佈是由於構成太陽光的各種顏色的光的頻率不同所導致的。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，藍光的頻率較高，折射程度較大，因此藍光偏離原本光路的程度較大，即更遠離太陽。

幻日中的顏色分佈（圖片來源：Scienceabc）

在中緯度地區，幻日一般出現在清晨或薄暮。這是因為當太陽靠近地平線時，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。隨着太陽的升起，太陽光傾斜角度增大，穿過冰晶體的太陽光則會減弱。當太陽高度角大於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象（圖片來自網絡）

從上述的形成原理可知，幻日的出現對氣象條件的要求較為苛刻，需要穩定的大氣層、適量的卷層雲以及合適的冰晶角度，並且還與觀測者相對於太陽的位置有關。因此幻日現象較為罕見，並且持續時間也不會太長，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幻日的理想時間，這時人們成為捕捉到幻日現象的“幸運兒”的幾率更高。

幻日的最終呈現效果與冰晶體的大小以及狀態密切相關。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生搖晃和轉向，這會導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，從而就形成了出現在太陽周圍的、以太陽為圓心的、呈內紅外紫的日暈。

日暈現象（圖片來源：中國天氣網）

除了幻日外，還有月亮形成的幻月。不同於幻日的是，幻月只有在接近滿月時才會出現，在其他時候，月亮反射的太陽光較弱，即使發生幻月了肉眼也難以看見。

幻月現象（圖片來自網絡）

古籍中存在不少對幻日現象的記載，比如《春秋：潛潭巴》中記有：“兩日並處，地裂水不流。”在本文的最後，我們可以猜測，在后羿射日的神話故事中，或許當時天上並非真的出現了十個太陽，而可能是古人對於當時在特殊的大氣條件下出現的幻日現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：中國科學院大氣物理研究所