核心机制是阳光在极其微小且大小高度均匀的冰晶上发生的“衍射”(Diffraction),而非简单的折射。
以下是其形成梦幻色彩的关键步骤和原理:
极端环境:
- 高空平流层: 形成于距地面15-25公里的平流层下部,远高于普通对流层云。
- 极低温: 该高度温度极低,通常低于零下78°C(-108°F),甚至更低。这是形成冰晶的必要条件。
- 极地冬季: 主要出现在高纬度地区(如南极、北极、斯堪的纳维亚、加拿大北部、阿拉斯加等)的深冬,此时平流层温度达到最低点。
微小且均匀的冰晶:
- 在如此低温下,平流层中存在的水蒸气(虽然非常稀少)会凝结成极其微小的冰晶。
- 最关键的是,这些冰晶大小非常均匀,通常直径在10微米左右(比人类头发丝细得多)。它们通常呈现为六角板状或片状。
阳光照射的角度:
- 珠母云通常在日出前或日落后(太阳在地平线以下1°到6°之间)才能被看到。
- 此时,地面已经处于黑暗或暮光中,但高耸的平流层云仍然能被在地平线以下的太阳照亮。阳光从下方照射到云层底部。
衍射主导的显色原理:
- 衍射现象: 当光线(阳光)遇到与其波长尺度(可见光波长约0.4-0.7微米)相近的障碍物(这里是微小的冰晶)时,会绕过障碍物边缘并发生弯曲和散射,同时不同波长的光(不同颜色)被弯曲的角度略有不同。
- 冰晶作为衍射光栅: 大小高度均匀的冰晶在云中密集排列,相当于形成了一个天然的衍射光栅。想象一下CD或DVD表面的精细沟槽,它们也能产生彩虹色。
- 色散与干涉:
- 阳光照射到这些均匀的冰晶上时,光线在冰晶边缘发生衍射。
- 衍射后的光波会相互叠加(干涉)。
- 相长干涉: 在某些特定角度,不同冰晶衍射出来的、相同波长的光波相位一致,叠加后增强,形成亮带。
- 相消干涉: 在其他角度,光波相位相反,相互抵消变暗。
- 波长依赖性: 由于不同颜色(波长)的光被衍射的角度不同,相长干涉发生的角度也因颜色而异。波长较短的蓝光、紫光衍射角度较小(更靠近光源方向),波长较长的红光衍射角度较大(更偏离光源方向)。
- 结果 - 虹彩: 这种由衍射和干涉共同作用导致的、颜色随观察角度变化而变化的现象,称为虹彩。观察者从不同角度看云,或者云中不同区域的冰晶大小有微小差异,都会导致看到不同的主导颜色。这就形成了珠母云那如同流动丝绸、珍珠母贝或极光般变幻莫测、柔和交融的梦幻色彩(粉红、嫩绿、天蓝、紫色、金色等)。
与普通折射(如彩虹)的区别:
- 彩虹: 由折射和内反射形成。阳光在水滴内部发生折射(弯曲)、一次或两次内反射、再折射出来。不同颜色的光在水滴内弯曲的角度不同,导致色散。彩虹的颜色排列顺序相对固定(外红内紫)。
- 珠母云: 由衍射和干涉主导。光线在微小冰晶边缘发生弯曲和散射,不同波长的光因衍射角度不同和干涉效应,在特定角度增强或减弱,形成虹彩。颜色排列顺序不固定,且色彩柔和、流动、变幻。
总结关键点:
- 极地平流层的超低温环境是基础。
- 形成大小高度均匀的微小冰晶是核心条件(如同天然衍射光栅)。
- 日出前/日落后的阳光从下方照射提供光源和暗背景。
- 衍射和干涉是产生梦幻虹彩色彩的根本物理机制(而非简单的折射)。
正是这些苛刻的条件和独特的光学现象,共同造就了珠母云这种只出现在地球两极附近天空的、转瞬即逝的“限定版”梦幻美景。