中科院之声发布的物理题（中科院之声天上的三个）

中科院之声 | 作者 陈可鑫

编者按：看寒来暑往云卷云舒，思古往今来气候变迁，中科院之声与中国科学院大气物理研究所联合开设“大气悟理”，为大家介绍大气里发生的有趣故事，介绍一些与天气、气候和环境相关的知识。

2月2日上午，北京天空出现的幻日奇观引起网友们的转发热潮，但大多数网友对其形成原因却不甚了解。今天就让我们来具体看看这样酷炫绮丽的天象是如何形成的吧。

幻日出现时，在太阳的附近同一水平高度上会出现一个或多个明亮的光斑，看起来如同太阳的“分身”一般。幻日在英文中称为“sundog”，这一名字的由来可追溯至希腊神话。相传在希腊神话中，作为众神之父和天空之神的宙斯常常在天空中遛狗，它们出现时太阳的附近就出现一个或多个“假太阳”。

形成幻日现象需要天空中存在卷层云。卷层云属于高云族，云底高度在5000m以上。在这样的高度上，大气温度低，因此卷层云的云体结构全部由冰晶组成，通常呈半透明状。这样的卷层云仿佛一层覆盖在天上的薄纱，能够让天空变为乳白色。

在卷层云的云体中漂浮着大量的六角形片状冰晶体，这样扁平的形状能够使它们水平地漂浮在空中。当这些六角形片状冰晶体在竖直方向上整齐地排列在空中时，就能够像三棱镜一样对太阳光进行规律的折射。

具体来说，太阳光从冰晶体的某一侧面进入冰晶体，由于阳光在空气和冰晶体中的传播速度不同，其传播方向会在空气与冰晶体的交界处改变，发生第一次折射。同样地，当阳光从冰晶体的另一侧面射出进入空气时，其传播方向再一次改变，即发生第二次折射。

太阳光在六角形片状冰晶体中的折射情况（图片来源：NASA）

两次折射使得射出冰晶体的太阳光与原本的光路在水平方向上偏转约22°。当大量被折射的光线聚集在一起进入到人眼后，就会让人们以为在折射出来的太阳光的背后存在着一个和太阳一样的光源，但实际上这是太阳的“虚像”。因为观测者与幻日所形成的视角半径为22°，所以将这样的幻日现象称为22°幻日。

观测者可以用一种简单有效的方法来判断出现的幻日是否为22°幻日，即伸直手臂，张开五指，让大拇指指尖对齐太阳，如果幻日出现在小指指尖所在位置附近，则为22°幻日。

幻日在水平方向上存在明显的颜色分布：靠近真实太阳的一侧为橙红色，随着远离太阳颜色渐变为紫蓝色。这样的颜色分布是由于构成太阳光的各种颜色的光的频率不同所导致的。光的频率与其折射程度成正比。在可见光光谱中，红光的频率较低，因此折射程度较小，即偏离原本光路的程度较低。相反，蓝光的频率较高，折射程度较大，因此蓝光偏离原本光路的程度较大，即更远离太阳。

在中纬度地区，幻日一般出现在清晨或薄暮。这是因为当太阳靠近地平线时，太阳光的水平分量最大，即能够垂直穿过冰晶体的太阳光最强，形成的幻日强度最强。随着太阳的升起，太阳光倾斜角度增大，穿过冰晶体的太阳光则会减弱。当太阳高度角大于60°时，幻日就会变得非常微弱近乎消失。

从上述的形成原理可知，幻日的出现对气象条件的要求较为苛刻，需要稳定的大气层、适量的卷层云以及合适的冰晶角度，并且还与观测者相对于太阳的位置有关。因此幻日现象较为罕见，并且持续时间也不会太长，最长能够维持不过几十分钟。北半球寒冷的冬季早晨是出现幻日的理想时间，这时人们成为捕捉到幻日现象的“幸运儿”的几率更高。

幻日的最终呈现效果与冰晶体的大小以及状态密切相关。冰晶体下落时很少能够保持完全水平，它们在下落过程中会发生摇晃和转向，这会导致太阳光向各个方向折射。在这种情况下，光线难以聚集到一个点上，而是均匀地分散在太阳的周围，从而就形成了出现在太阳周围的、以太阳为圆心的、呈内红外紫的日晕。

除了幻日外，还有月亮形成的幻月。不同于幻日的是，幻月只有在接近满月时才会出现，在其他时候，月亮反射的太阳光较弱，即使发生幻月了肉眼也难以看见。

古籍中存在不少对幻日现象的记载，比如《春秋：潜潭巴》中记有：“两日并处，地裂水不流。”在本文的最后，我们可以猜测，在后羿射日的神话故事中，或许当时天上并非真的出现了十个太阳，而可能是古人对于当时在特殊的大气条件下出现的幻日现象作出的充满神话色彩的理解与想象。