全面剖析，大气光学现象—「幻日」
全面剖析，大气光学现象—「幻日」
赵孔儒
2009年9月
市民询问大气光学现象后提供有关的照片影像。
陈先生﹙Mr. CHAN Man-chun, Harold﹚在2009年7月2日日落时于吐露港向西拍摄了一些与大气光学现象有关的照片﹙图1及图2﹚，询问天文台那是什么现象。同事把他的询问电邮和照片转交给我，我分析后作出解答。陈先生满意解答，并很乐意将这些照片影像提供给天文台采用，让我可以把这些精彩照片影像及有关的大气光学现象，附加图解详细地介绍给我们「香港天文台教育资源电子通讯」的读者，谨此致谢。
图1︰﹙图片由陈先生Mr. CHAN Man-chun, Harold拍摄和提供﹚
照片影像有什么特征？
照片﹙图1及图2﹚是在2009年7月2日日落时于吐露港向西拍摄的。照片表明太阳和有色彩的光源近乎在同一水平高度，彩斑出现在太阳右方，接近太阳的一侧展现偏红，远离太阳的外侧展现偏白及有小许偏蓝。
图2︰「幻日」影像放大﹙图片由陈先生 Mr. CHAN Man-chun, Harold 拍摄和提供﹚
何谓为「幻日」？为什么照片中的现象是「幻日」？
太阳在日出或日落期间，仰角低因而接近地平线，幻日是因为太阳的光线透过卷云的六角形冰晶经折射后产生的，在没有较低云块阻碍视野的情况下可以看到。幻日是在太阳左右两边大约22度出现在天空的光斑或亮点，与太阳的高度相同。它的出现取决于卷云的密度，厚度和高度，及观察者的位置。幻日有一列或一条水平向外伸延带白色的短光斑或尾巴。幻日在靠近太阳的一端和远离太阳的一端所观察到的颜色分别或多或少略带红色和略带蓝色。
图3
图4︰2009年7月2日下午5时﹙09UTC﹚地面天气观察显示本地和邻近地区普遍有高云﹙密卷云 — 致密卷云云块dense cirrus patches﹚
在2009年7月2日黄昏日落前，本地有很多高云，由于高云云层较薄，阳光仍可穿透。雷达影像清晰显示邻近地区无雨﹙图3﹚，地面天气观察﹙图4﹚及卫星图像﹙图6﹚显示本地和邻近地区普遍有高云。
图5︰2009年7月2日傍晚8时﹙12UTC﹚的温熵图
根据2009年7月2 日傍晚8时的探空资料所显示﹙图5﹚，大气在350hPa﹙大约8600m﹚以下较为干燥，大气在350hPa以上较为潮湿，温度在负20oC 以下，云层在这个高度以上充满冰晶。因此，有色彩的光源很可能是阳光透过方向随机的冰晶折射引起所产生的「幻日」现象。
根据陈先生的观察，它出现在太阳右边大约 22 度的位置，因此那就是太阳的虚假影像 -「幻日」。
「幻日」可以只出现在太阳的一边吗？
「幻日」一般是在太阳左右两边对称大约22度方位出现，但陈先生不能在左边见到相同的现象。虽然陈先生没有说明太阳左边是否有建筑物阻挡，但是单一个「幻日」只在太阳的一边出现仍然是有可能的。
卫星图像﹙图6﹚显示在香港附近海岸的高云，南北分布不很对称，由于高云的多少浓密并不均匀或不匀称，导致另一边的「幻日」不明显或不完整是有可能的。例如日落时，前后相继横越高空飞翔的喷射飞机，相继沿著相近且紧贴的航路，喷出多条接近的凝结尾迹，残留下来的凝结尾迹会成为卷云，这样一个不完整且单一的「幻日」便可以出现在这些卷云上。另一边的「幻日」也可以被少量较低的云块遮盖。因此有时在一些特殊情况的时刻里，完整的「幻日」不一定同时清楚地出现在太阳左右两边。
图6︰2009年7月2日下午5时30分﹙0930UTC﹚日本气象厅MTSAT-1R 红外光图像
为什么「幻日」接近太阳的一侧展现偏红，远离太阳的外侧尾部展现偏白及有小许偏蓝？
带白色的尾部是来自「幻日」亮光的一个短小水平方向伸延部分。这是由于接近红色和接近蓝色的光线波长有小许不同，阳光经透过方向随机的冰晶折射后，接近红色和接近蓝色的光分布前后位置稍有偏离后再重叠合成时发生的光学现象﹙图7﹚。
图7︰显示颜色分布的简化示意图。接近红色﹙A﹚和接近蓝色﹙B﹚的光分布重叠合成﹙A+B﹚的光分布。
此外，白光在透过六角形冰晶之后，出现色散，分成不同的颜色向前散开。经过同一冰晶出来的不同颜色光线中间会有部份重叠变成偏白色的光﹙图8﹚。
图8︰入射白光光束越阔，AB距离越远，从冰晶出来不同颜色的光线重叠程度越大。﹙图中光线从冰晶出来的中间部分光线重叠程度被夸大以便于说明﹚
图9︰双折射 ﹙概略图解﹚
还有，由于冰晶是「双折射结晶体」，对光线有双折射特性，「幻日」色彩的形成比彩虹是较为复杂的。当一束光线穿过一块双折射透明物质时，那束光线将分成在两个不同方向传播的两束光线﹙图9﹚。因此，通过双折射物质观看物体时，会看见两个分开的影像及在附近部份重叠﹙图10﹚，出现重影。若白光通过双折射物质产生出两个光谱，也会部份重叠合成为一个异常的光谱﹙图11﹚。
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(a.) 普通的折射产生一个影像
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(b.)双折射产生两个部份重叠的影像
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图10
图11︰《光谱A》与《光谱B》部份重叠产生《光谱A+B》﹙图中光谱被夸大以便于说明﹚
为什么「幻日」在太阳左右两边对称大约22度方位出现？
这是由于「幻日」的形成需要阳光被水平面向的六角形冰晶折射﹙图12﹚，而六角形冰晶的物理性质﹙折射率﹚导致了阳光通过六角形冰晶后的转向限制在一个不少于大约22度的「最小偏向角」﹙图13﹚，且光在22度附近聚集和出现，即是最集中及最强，因而形成光斑或亮点。
图12︰阳光被水平面向的六角形冰晶折射
图13︰最小偏向角 ~22o
为何看不到「幻日」远离太阳的外侧展现偏红？
白光在透过六角形冰晶之后，出现色散，分成不同的颜色向前散开。因为红光的波长比蓝光长，在透过六角形冰晶之后，红光转向偏离来源白光光线比蓝光少﹙图12和图14﹚。
图14
视角支配我们观察不同物体相对距离或位置的感觉。由于只有当光在传播时以恰当的角度进入我们的眼睛，我们才可以看见光。因此，当光来自许多冰晶时，最终的效果是眼睛看见带红色的光出现在右边的「幻日」内侧上﹙如图14所示﹚。
参考资料：
[1] "Atmospheric Halos", David K. Lynch, Scientific American, April, 1978.
[2] "Spacious Skies", Richard Scorer & Arjen Verkaik, David & Charles Publishers, 1989.
[3] "Optical properties of contrail-induced cirrus: discussion of unusual halo phenomena", by Ralf Sussmann, Applied Optics, Vol. 36, No.18, 20 June 1997.
[4] 「幻日」
[5] "Experiments with quartz hexagon - Double parhelia", 4 April 1999, Bob Fosbury's website.
[6] "Laboratory experiments in atmospheric optics", Michael Vollmer and Robert Tammer, Applied Optics, Vol. 37, No. 9, pp. 1557-1568, 20 March 1998.
[1] "Atmospheric Halos", David K. Lynch, Scientific American, April, 1978.
[2] "Spacious Skies", Richard Scorer & Arjen Verkaik, David & Charles Publishers, 1989.
[3] "Optical properties of contrail-induced cirrus: discussion of unusual halo phenomena", by Ralf Sussmann, Applied Optics, Vol. 36, No.18, 20 June 1997.
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[5] "Experiments with quartz hexagon - Double parhelia", 4 April 1999, Bob Fosbury's website.
[6] "Laboratory experiments in atmospheric optics", Michael Vollmer and Robert Tammer, Applied Optics, Vol. 37, No. 9, pp. 1557-1568, 20 March 1998.