美到令人惊艳的神奇：你再遇到这么美的奇观就不会只能

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彩虹、冰晕、日（月）华、虹彩云……

天幕常常上演令人惊喜的奇景

给我们平淡的生活带来一抹亮色

除了

拍照发朋友圈

转发求好运

以及

“啊啊啊啊好美啊啊啊”

你了解它们吗

今天地理君就来详细讲讲

那些陆离虹彩

部门团建时地理君在路上拍的

长途跋涉中看到一道彩虹真是让人愉悦

当持续多日的霖雨或午后雷雨初停时

空中仍会悬浮着

众多直径较大的水滴（雨滴）

当阳光从水滴中经过折射与反射时

由于构成阳光的不同单色可见光

在水滴中的折射率不一样

经过折射后它们将出现一定分离

并按照折射率不同依次展开成彩色光带

这一现象被称为光的色散

而所形成的彩带正是彩虹

水滴对阳光的色散效应

把不同波长的电磁波（光）连续地分散开

所以彩虹的颜色是连续的

但并不一定会逐个分出

李白说“安得五彩虹，驾天作长桥”

因此，说彩虹是五色的或是七色的

都没有问题

投稿 / 余震

另外

形成彩虹的并不是一些固定的水滴

而会随着观察者和太阳的位置而变化

所以我们每个人眼中的彩虹

都是独一无二的

我们平时看到的彩虹，位置或高或低，其实都只是彩虹的一部分。当太阳位于地平线时，彩虹形状如半圆；太阳的位置越高，彩虹的位置就越低。如果太阳高度角大于42°，彩虹则出现在地平线之下，人在地面上就看不到了。这也是为什么在中午难以见到彩虹的原因。

图文资料来自《中国国家地理》2015年12月

如果我们能在空中足够高的地方观察

完全有可能看到完整的圆形彩虹

双 彩 虹？其 实 是 虹 与 霓

看到一道彩虹已经是让人愉悦的事了

那么网络上很火的“双彩虹”

更是会让人收获双倍的愉悦

一道明亮，一道暗弱

都是因为光在传播时的神奇走位

一般而言，从水滴外的入射到出射

一定要经过两次折射

但是在水滴的内部

可以经过一次或多次反射

如果经过一次反射得到的平行光彩带

被称为虹，特点是外红内紫

如果是两次反射所得，即被称作霓（副虹）

色彩顺序与虹相反，为外紫内红

图自《中国国家地理》2015年12月

虹与霓都呈圆弧形

圆心在对日点上

（对日点：观测者头部在天球上的投影）

它们的角半径分别约为42°与51°

也就是霓形成的圆弧“更大”且在虹的外侧

每次光在水滴的内边界反射时

会有部分光线折射出去

导致光每次反射必损失一定的强度

所以多反射了一次的霓，比虹暗了很多

投稿 / 陈豪

比 虹 与 霓 更 特 殊 的 彩 虹

虹在水滴内经过了一次反射

霓是两次

那如果更多次呢

自然界里也存在反射3次、4次的彩虹

被称作3阶、4阶彩虹

但按照光路规律

它们出现在太阳同一侧

而且比霓更暗，很难被观察到

在形成彩色平行光的前提下，1-4次反射的光路图

其中1次反射形成的为虹，2次反射为霓

3次、4次反射为3阶、4阶彩虹

图自atoptics.co.uk

3阶、4阶彩虹

图自atoptics.co.uk

另外

如果是在水面附近

阳光可能会被水面先反射一次

再进入空中的小水滴形成彩虹

这样的虹被称为“反射虹”

其圆心与虹、霓的圆心沿地平线对称

图自《中国国家地理》2015年12月

但是因为形成反射虹的光已经反射过一次

其中部分光经过折射途径“离开”

所以它的亮度比常规的虹要暗一些

红色箭头：常规虹

蓝色箭头：常规霓

绿色箭头：反射虹

图自atoptics.co.uk

虹 一 定 都 是 多 彩 的 吗

不一定

日落时分可能会出现奇妙的“红虹”

这是因为

阳光需要穿过很长一段大气才能到达地表

在这个过程中

波长较短的蓝紫光被消磨殆尽

进入水滴的阳光里红橙光则一往无前

因而形成的彩虹偏红色

这也是日落时太阳偏红的原理

红虹

在海面附近还有可能出现“白虹”

当彩虹的光线射过细小水滴的时候

发生衍射

射出的绿光角度会比较大

绿光重合在红光和蓝光上面

就会形成一种宽阔的白色虹

这种白虹形成原理

与普通彩虹的反射-折射并不一样

也并非“白虹贯日”中的“白虹”

“白虹贯日”中的“虹”实际上是“晕”

白虹

在充满奇景的大自然中

除了彩虹，还有不少大气光学现象

也有着绚烂的色彩

但它们的成因和彩虹有明显区别

这些虹彩一般的光学现象

可分为光折射所致与光衍射所致两类

▼

折 射 幻 境：冰 晕 型 光 学 现 象

我们有时会看到这样的景象：

太阳周边有一圈完整的彩色光环

或者是天空中突然出现

类似彩虹一样的弧状七彩光带

它们通常在高云（如卷云、卷层云）较多的

晴到多云天气下发生

这类是高云的冰晶折射与色散

形成的光学现象

通称为冰晕族

形成这一类冰晕族的冰晶形状，多为很薄的六棱柱板片状、较厚的六棱柱或六棱锥，因此这类冰晶可以看作棱角为60°、90°、120°三种情形的棱镜。

但实际上，云中冰晶分布较为随机，取向差异很大，大部分被冰晶折射色散的阳光仍然是发散光，并很快再度混合成白光；但如同彩虹一样，当存在特定角度的阳光入射到特定方向的冰晶后，使得折射与色散后的单色光仍然平行，可以形成彩色冰晕。

冰晕族有相当多的类型

由于篇幅所限，下面主要讲

日晕以及类似彩虹的环地平弧与环天顶弧

日晕

经大量计算（此处省略1000余字）

我们发现主要会形成两种日晕环

①

当云中冰晶的轴线呈水平方向时

阳光沿着六棱柱冰晶的一个侧面入射

并经两次折射

从另外的侧面形成日晕环

此时形成的日晕环的视角半径约22°

也被称为22°晕

由于冰晶轴线呈水平方向时较为稳定

这类日晕是最为常见的

可以说大部分看到的日晕都属于这种

22°晕形成的光路图解释

图自atoptics.co.uk

22°晕，在日出与日落时更常见

当它只出现一侧时常被人误认为是一小段彩虹

②

当冰晶不水平时

阳光可能从六棱柱的一个底面（侧面）入射

经过两次折射后

到达一个侧面（底面）形成日晕环

此时日晕环的视角半径大约是46°

比普通的22°大很多

但由于这类冰晶很难稳定

出现这种晕环的频率也很低

46°晕形成的光路图解释

图自atoptics.co.uk

46°晕（外侧）经常和22°晕（内侧）同时出现

环地平弧和环天顶弧

这两者都由很薄的六棱柱冰晶折射形成

但具体的过程不一样

环地平弧

是由阳光从上而下

经过六棱柱冰晶侧棱折射入冰晶

并从冰晶底面折射出所形成

最终在位于地平线附近的低空被我们看到

这样的彩弧，呈现外紫内红的色彩

形成环地平弧的冰晶形态和光路图

图自atoptics.co.uk

但是环地平弧对太阳高度角要求很高

如果太阳高度角小于58°

则会在冰晶底面全反射而无法折射出

也无法形成环地平弧

所以全球只有南北纬54°之间地区

能看到这一现象

也通常出现在中午前后

而且对于其中纬度较高的地区

只有夏至前后的正午才有机会看到

环地平弧

环天顶弧

是阳光从六棱柱冰晶顶面进入冰晶

并从侧面折射出所形成

最终投影在高度角很高的天顶附近

并被我们看到

它的颜色与环地平弧相反，呈现外红内紫

而与彩虹的颜色顺序一致

因此也是最容易被误认为是彩虹的现象之一

有人称它为“微笑彩虹”

形成环天顶弧的光路图模型

图自atoptics.co.uk

不过要看到它

太阳高度角必须低于32°

否则阳光也将在冰晶内部全反射

而无法形成环天顶弧

因此它多在上午或下午出现

而且中高纬度地区看到它的概率

比看到环地平弧大得多

环天顶弧

衍 射 炫 彩：衍 射 型 光 学 现 象

网上我们常会看到这些“七彩祥云”

图自网络

实际上它们与彩虹无关

这彩虹般的色彩来自另一种光学现象

——衍射

形成彩虹所需要的小水滴，直径还在0.1-1.0毫米左右；但组成较高的云的小冰针或小过冷水滴，它们的直径只有数微米到20微米左右，已经接近0.4-0.76微米的可见光波长范围，当阳光穿过它们时，也需要考虑衍射过程了。

当作为白光混合光的太阳光穿过时，经过衍射过程，各单色光会出现一定分离，但不像色散一样完整分离，而是让某一单色光强度在特定位置达到峰值，与此同时该位置仍然有其他颜色的光（只是强度较弱）。

因此衍射形成的虹彩颜色，不如标准的彩虹色彩分明。

比较经典的衍射光学现象包括

日（月）华和虹彩云

当太阳（或月亮，但一般需要满月）

在空中被较细小的冰针或过冷水滴覆盖

但未被遮蔽时

可以在太阳（月亮）周边形成一个衍射彩环

这就是日（月）华

能形成日（月）华的云

往往是由细小冰针或过冷水滴组成的

卷积云或高积云

卷积云和它衍射形成的日华，摄影 / 风云梦远

按照衍射规律

华环中间是白光亮区

向外依次出现紫色到红色的彩环

但颜色分离不够显著

如果有可能

还会在更外侧出现第二道彩环

但光强度更弱

华环大小与冰晶或过冷水滴的直径有关

当冰晶或过冷水滴越小

形成的华环会越大

所以，当华环变大

表明这些云内水滴冰晶在减小

预示着天气会稳定或进一步放晴

反之则有可能预示云量增多或阴雨的到来

直径分别为10微米、20微米、40微米的水滴

形成的衍射光环

可见水滴直径越小光环半径越大

图自atoptics.co.uk

当这些云没有直接覆盖太阳时

在特定的入射角下

进入云中的太阳光也能形成衍射虹彩

此时带有虹彩色的云

也可以被非正式地称作“虹彩云”

据说

“彩云之南”传说里提到的彩云

很可能就是这类“虹彩云”

这种云和彩虹没有什么关系

它们多是日华或月华的一部分

而这一节最开始提到的那类“七彩祥云”

是虹彩投影到一类特殊云

——幞状云上所形成的虹彩幞状云

在夏季浓积云或积雨云发展时

上升气流旺盛

也会带动云体周边的气流上升

此时如果在云顶部上方相对湿度较大

这个层面的水汽会被上升气流带动

凝结形成云

并覆盖在浓积云或积雨云的顶部

如同它们的“头巾”，因此得名幞状云

这类云由于高度较高

能形成的冰晶或小水滴直径也较小

当阳光高度角合适时

照射到云顶时容易发生衍射现象

从而有了虹彩

上文已经提到过

这类云常与发展旺盛的积雨云或浓积云相伴

所以如果你想看的话

可以夏季在我国的南方地区碰碰运气

“那个盖世英雄来了”

某时，不经意地抬头仰望

猝不及防的一片虹彩带来强烈的视觉冲击

往日看惯了的蓝天白云成了它的画布

衬托出非凡的绚丽

这一刻

能让我们把繁杂事务抛至脑后

感受到奇迹般的温暖与宁静

这些绚烂的大气光学现象

是天空送给我们的幸运礼物

主要参考资料：

盛裴轩等编著. 大气物理学（第二版），北京：北京大学出版社，2013.

McCartney G J. Optics of Atmosphere, John Wiley & Sons., 1976.

www.atoptics.co.uk

话题

你见过这些奇观吗？

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部分图自123rf、视觉中国

撰文 / 风云梦远

编辑 / 小葇

（微信号：dili360）