环地平弧
环地平弧
龚颖恒
2017年8月
2017年7月19日及8月10日接近中午时分,香港上空都曾经隐约出现了一道平直「彩虹」的有趣现象(图一(a)及(b))。它其实并非彩虹,而是称为「环地平弧」的一种光学现象。
当太阳或月亮的光线被大气中的冰晶折射或反射,就会产生统称「晕」的光学现象。最常见的「晕」是围绕着太阳,视度半径为22度的日晕[1]。「环地平弧」虽看似一道彩虹,但它其实属于「晕」其中一种的光学现象,其出现的机会比「22度晕」为低。
究竟「环地平弧」是怎样形成的呢?首先就是大气层上空有 卷云。当卷云内六角形碟状的冰晶平浮在高空时,阳光经冰晶的垂直侧面进入,折射到其水平底部出来。由于折射的幅度不同,白光便分拆出不同颜色的光(图二(a))。而最关键的因素是在于太阳照射冰晶侧面的角度必须超过58度(图二(b));因此,它只会在接近正午时才有机会出现,而当太阳的照射角度约为68度,它的强度会达到最高。「环地平弧」与「22度晕」不同的地方是它出现在太阳的下方,位置较接近地平线,并向水平方向伸展,其顶部为红色,底部为紫色(颜色排列与「主虹 」 相同)。
能否观看到「环地平弧」,亦需视乎观察者的地理位置。若观察者身处纬度55度或以上(例如一些北欧国家),便会因为太阳的仰角长期低于58度而无缘观看到这现象。此外,一般人亦很容易混淆「环地平弧」和「虹彩云」。两者虽然相似,但成因有别,详细资料可参考天文台「度天赏云」电子云书内之」「虹彩云」。
天上奇景姿态万千,有另一种同样使人惊叹的光学现象,称为「环天顶弧」(图三)。「环天顶弧」同样是源自阳光经过平浮于卷云内的六角形碟状冰晶折射而成(图四(a)),但与「环地平弧」不同之处是:「环天顶弧」出现在太阳上方,并呈弧状环绕天顶。它的顶部(内侧)为紫色,底部(外侧)则为红色,颜色排列与「环地平弧」相反,看起来像一条上下倒转了的彩虹;此外「环天顶弧」的形成是由阳光经冰晶的水平顶部进入,折射到其垂直侧面射出,而太阳的入射角度要少于32度时才会形成(图四(b))。由于太阳的入射角度较低,有时「环天顶弧」会与幻日同时出现。若太阳照射的角度超过约32度,则只会产生单色(白色)的「幻日环 」[2]。
由于「环地平弧」和「环天顶弧」需要多项条件配合下才出现,因此都比「22度晕」较为少见。

图一 (a) 2017年7月19日接近中午时分出现「环地平弧」光学现象﹙照片由香港天文台天气观测员拍摄﹚。

图一 (b) 2017年8月10日接近中午时分出现「环地平弧」光学现象﹙照片由香港天文台天气观测员拍摄﹚。

图二 (a)太阳光线从六角形碟状冰晶的侧面进入,经过两次折射后,经底部出来。因不同颜色的光波长不同,在冰晶内的移动速度不同,以不同的角度折射出来;(b)若太阳光线的入射角度少于58度,光线便会在冰晶内反射而不能产生「环地平弧」。

图三 「环天顶弧」照片(来源:世界气象组织「国际云图」网页)

图四 (a)太阳光线从六角形碟状冰晶的顶部进入,侧面射出,并经折射后分成不同颜色;(b)若太阳光线入射角度超过32度,光线经冰晶内反射后从底部以反方向折射出,不同颜色射线汇聚而产生单色(白色)的「幻日环」。