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抬头看天空偶遇幻日,多个太阳状光斑环绕真太阳,这种奇观如何形成

这种被称为“幻日”(Sun Dogs或Parhelia)的壮观景象,是一种由大气中的冰晶折射和反射阳光形成的晕象。它的形成需要非常特定的条件:

核心要素:

高层薄云: 通常是卷云或卷层云,这些云位于大气层的高处(大约6公里以上)。 冰晶: 云中含有大量微小的六角形片状冰晶冰晶取向: 这些片状冰晶在空气中缓慢下降时,会像无数个小盘子一样,大致水平地飘浮着(即它们的两个六边形大面基本平行于地面)。 太阳位置: 太阳位置不能太高,最好是在地平线附近(日出或日落前后最常见),这样光线才能以合适的角度穿过冰晶。

形成过程:

阳光入射: 当太阳光照射到这些大致水平排列的六角形片状冰晶上时。 侧向折射: 光线会从冰晶的侧面(一个六边形面)进入冰晶。 内部传播: 光线在冰晶内部传播。 从相邻面折射出: 光线从与入射面相邻的另一个侧面(相隔60°角)折射出来。 最小偏向角: 对于六角形冰晶,这种特定路径(从一面进,从相邻60°的面出)的光线,其偏折角度有一个最小值,大约在22°左右。这个角度是由冰晶的几何形状和冰的折射率决定的。 汇聚与成像:
  • 由于冰晶是水平排列的,所有那些折射角度恰好接近22°的光线,会主要汇聚在太阳左右两侧、与太阳同一水平高度、距离太阳大约22° 的两个点上。
  • 这些汇聚的光线就在这两个点上形成了明亮的、类似太阳的光斑,这就是幻日。它们通常位于一个较暗的22°晕圈(如果冰晶方向更随机,会形成完整的晕圈)与太阳同一高度的位置上。

为什么会有颜色?

  • 冰对不同波长的光(不同颜色)的折射率略有不同(色散现象)。
  • 红光折射率最小,偏折角度略小于22°;紫光折射率最大,偏折角度略大于22°。
  • 因此,在幻日光斑上,你会看到内侧(靠近太阳的一边)呈红色外侧呈蓝色或蓝白色,中间部分可能是黄色或白色。颜色鲜艳程度取决于当时大气条件和冰晶的均匀性。

“多个太阳状光斑环绕真太阳”的可能解释:

  • 最常见的“两个”幻日: 绝大多数情况下,幻日成对出现,在太阳左右两侧22°处。
  • 22°晕圈: 如果云中的冰晶方向比较随机,而不仅仅是水平排列,那么除了幻日点,还会形成一个以太阳为中心、半径为22°的圆形或部分圆形的光晕。幻日通常位于这个晕圈与太阳同一水平高度的两个点上。这看起来就像两个光斑在环绕太阳。
  • 其他晕象的组合: 在非常理想和复杂的冰晶条件下,除了22°晕和幻日,还可能同时出现:
    • 上切弧/下切弧: 出现在22°晕圈正上方或正下方的光斑或光弧(需要太阳高度角合适)。
    • 环天顶弧: 出现在太阳正上方、像倒挂彩虹的彩色光弧(由垂直取向的六角柱状冰晶形成)。
    • 环地平弧: 出现在太阳下方、接近地平线、像平躺彩虹的巨大彩色光弧(需要太阳高度角很高,且由水平取向的片状冰晶形成)。
  • 多个光斑的感知: 当22°晕圈、左右幻日、以及可能的上/下切弧同时出现时,在视觉上就会形成多个明亮的光斑(左右两个最亮,上下可能稍弱)围绕在太阳周围(22°晕圈上)的景象。这就是你描述的“多个太阳状光斑环绕真太阳”。

总结一下关键点:

  • 成因: 高层薄云(卷云/卷层云)中的水平排列六角片状冰晶对阳光的折射
  • 位置: 太阳左右两侧,与太阳同一高度,距离太阳约22°
  • 颜色: 内侧偏红,外侧偏蓝(色散)。
  • “多个光斑”的构成: 通常是左右两个幻日(最亮)+ 22°晕圈(背景光环)+ 可能的上/下切弧(其他光斑)。
  • 最佳观测条件: 日出或日落时分,天空有薄薄的高层云(卷云或卷层云覆盖部分或全部天空)。

幻日是一种美丽而相对常见的晕象,是大气光学送给我们的奇妙礼物。下次再看到它,你就知道是无数微小冰晶在天空中上演了一场精妙的光学魔术!