神秘的彩光环

赵孔儒

2011年6月

市民询问大气光学现象后提供的一张照片影像。

刘小姐﹙Miss LAU Yim-ling, Nancy﹚在2011年2月25日乘飞机从香港前往杭州。在航机旅途中，大约上午11时，她看到窗外一个围绕着一架飞机的有趣大气光学现象，并且把这个现象拍摄了下来﹙图 1﹚。她询问天文台那是什么现象。在她观察的那段时间，香港与杭州之间的广泛地区出现由微小水滴组成大量﹙相对较暖﹚的低云﹙图 2﹚。我分析后己解答了这是「彩光环」。现在附加图解，进一步详细地介绍给我们的读者。

图1︰彩光环﹙图片由刘小姐Miss LAU Yim-ling, Nancy拍摄和提供﹚

图2︰2011年2月25日上午10点 32分，红外光卫星图片显示在香港与杭州之间的广泛地区出现由微小水滴组成大量﹙相对较暖﹚的低云。﹙ 日本气象厅MTSAT-1R 红外光卫星图像﹚

照片影像有什么特征？

这张照片是由一位乘客﹙刘小姐﹚在一架飞机上拍摄得到的。照片中显示，飞机的影子在云层上被一组同心圆的彩色圆环紧紧围绕着。围绕着飞机的圆环颜色像彩虹般逐渐转变。

何谓「彩光环」？为什么照片中的现象是「彩光环」？

「彩光环」﹙有时简称「光环」，也叫做「佛光」或「宝光」﹚是由于太阳光被云中的水滴反向散射﹙见第7节﹚而产生细小又不同色彩的发光环，而且环的颜色通常略为黯淡。各环的颜色是不同的，若有更多的发光环向外延伸，颜色会大致顺序重复。「彩光环」是出现在观察者的反日点﹙antisolar point，图3﹚下，一组围绕着反日点的细小不同颜色的发光环，使太阳、观察者和观察者在「彩光环」里的影子同时出现在一条直线上。因此，从图1揭示出观察者﹙刘小姐﹚当时是坐在飞机的中前排座位上的﹙图4﹚；刘小姐后来也证实了这个是她在飞机上的座位位置。并且围绕着飞机的光环很细小，色彩顺序改变，所以是「彩光环」。

图3︰反日点﹙antisolar point﹚是一个（在天球的）虚点。相对于观察者，反日点位于太阳的对面（180^o 之外），它是从太阳穿过观察者的延伸直线上的一个虚拟点﹙设想出来的位置﹚。 [注释：除在这里标示的中文翻译以外，这四个术语包括solar point、anthelic point、 antisolar point 和subsolar point，或会有其它中文译名。]

图4︰乘客坐在飞机的中前排靠窗座位上，望向左下方，看到飞机在云层上的影子被彩光环紧紧围绕着。

「彩光环」的现象是否罕见呢？

在没有飞机的时代，目击「彩光环」是较罕见的。但若果登上高山，也有机会看见类似现象。当太阳从登山者后面照射过来时，登山者有时可以看到他的影子被阳光投射到雾或云上。当临近日落或日出的时间，太阳的高度较低时，观察者的下半身影子会被大大拉长，影子因而看来明显被放大。投影到雾或云上的观察者影子，四周被「彩光环」的一系列同心圆彩色发光环包围着，称为「布罗肯幽灵 (Brocken Spectre)」﹙图5﹚。如果有多于一个登山者，虽然每个人可以看到其他人的影子，但每个登山者只能看到一个彩光环围绕着他自己影子的头部为彩光环的中心，而看不到任何其他彩光环围绕着其他登山者影子的头部﹙为彩光环的中心﹚。

若天气和光学条件适合时，人们是可以看到这种现象的。现今由于乘搭航机旅行已经很普遍，坐在机上靠窗位置的乘客，会有较多机会见到这种「彩光环」现象﹙图 4﹚。其实这已是刘小姐第二次看到这种现象。

图5︰当登山者背向太阳朝反日点﹙antisolar point﹚望去，他会看到彩光环或一组彩色同心圆环围绕着他自己影子的头部。﹙反日点是对着太阳相反方向望去，一个设想出来的位置或虚拟点；在此图中，反日点即是观察者影子的头部。﹚

在高空看到「彩光环」，是飞机可能会遇到积冰的潜在积冰预警信号。

当飞机在高空飞行，若遇见「彩光环」出现在温度低于冰点以下浓密的厚云层上时，这是飞机潜在积冰的一个警告信号。在这种情况下，只有当云层含有相当数量在冰点以下的过冷水滴（液态水），「彩光环」才可能出现和被看到。当过冷水滴接触到飞机，便会即时在飞机表面上凝固结冰。因此，若一架飞机飞进这些在高空能产生「彩光环」的云时，飞机可能会遭遇积冰。

彩光环是怎样形成的？有什么特性？

彩光环是因为太阳光经由云里或雾中的水滴反向散射﹙见第7节﹚而引起的，并出现在云或雾的近白色背景。当小水滴的大小非常均匀一致时，彩光环较为明亮，色环会重复显示而且色彩的颜色纯度高。在一个彩光环里，色环的色彩略为暗淡，向中心或反日点从红色、橙色、黄色、绿色、蓝色至紫色向内顺序改变。水的表面张力确保了小水滴呈现球形。一个特定环的视角大小与水滴的大小大约成反比。Philip Laven 发现大多数彩光环是由半径在4和25微米之间的球形小水滴引起的。对于半径是10微米的小水滴，最内里面的红色光环在大约离反日点2.4度的角半径宽度处出现。Stanley D. Gedzelman认为云中小水滴半径大约是10微米引起的彩光环，一般都较为清楚。当小水滴的半径增加时，彩光环缩小并且变得不那么明显。

「彩光环」是复杂的并且尚未被完全了解

与彩虹不同，几何光学不能解释彩光环如何形成。彩光环可以（通过使用米理论Mie theory或者德拜理论Debye theory）运用数学在电脑或计算机模拟产生。然而，形成彩光环的物理机制是复杂的并且尚未被完全了解。在1947年，荷兰天文学家H.C. van de Hulst提出一个相对抽象的「表面波」﹙图6﹚概念，并运用惠更斯﹙Huygens﹚的光波动理论，解释了彩光环。在每个云或雾中的小水滴，从水滴对面两侧反向散射出来的光线﹙图7﹚，会产生衍射﹙也叫「绕射」﹚和干涉，引起彩光环形成。虽然van de Hulst的解释已被广泛接受，但是Philip Laven在2005年提出了一个稍微有点不同的解释，认为彩光环是由两个表面波之间出来的两组光线﹙图8，图 9﹚干涉的结果。

图6︰van de Hulst 的球形水滴表面波

图7︰光线通过van de Hulst提出的表面波从水滴对面两侧反向散射出来。

图8︰短光程表面波﹙上图﹚与长光程表面波﹙下图﹚的例子。

图9︰光线在水滴直径上两侧相对的点进入水滴，之后在水滴的部分周边边缘产生短光程与长光程的表面波。表面波在不同的散射角度θ，连续地散发出光。 Philip Laven提出，当θ接近180^o时，彩光环的色环是由两个﹙短光程与长光程的﹚表面波出来的两组光线的干涉导致。

参考资料：
[1] "The Glory", by Howard C. Bryant and Nelson Jarmie, Scientific American, Volume 231, Number 1, pages 60-67 70-71, July 1974.
[2] "Atmospheric glories: simulations and observations", by Philip Laven, Applied Optics, Volume 44, Issue 27, pp.5667-5674, September 2005.
[3] "How are glories formed?", by Philip Laven, Applied Optics, Volume 44, Issue 27, pp.5675-5683, September 2005.
[4] "Simulating glories and cloud bows in color", by Stanley D. Gedzelman, Applied Optics, Volume 42, Issue 3, pp.429-435, January 2003.
[5] "The mathematical physics of rainbows and glories", by John A. Adam, Physics Reports, Volume 356, Issues 4-5, January 2002, Pages 229-365.
[6] "Spacious Skies", Richard Scorer & Arjen Verkaik, David & Charles Publishers, 1989.