全面剖析，大氣光學現象—「幻日」
全面剖析，大氣光學現象—「幻日」
趙孔儒
2009年9月
市民詢問大氣光學現象後提供有關的照片影像。
陳先生﹙Mr. CHAN Man-chun, Harold﹚在2009年7月2日日落時於吐露港向西拍攝了一些與大氣光學現象有關的照片﹙圖1及圖2﹚，詢問天文台那是什麼現象。同事把他的詢問電郵和照片轉交給我，我分析後作出解答。陳先生滿意解答，並很樂意將這些照片影像提供給天文台採用，讓我可以把這些精彩照片影像及有關的大氣光學現象，附加圖解詳細地介紹給我們「香港天文台教育資源電子通訊」的讀者，謹此致謝。
圖1︰﹙圖片由陳先生Mr. CHAN Man-chun, Harold拍攝和提供﹚
照片影像有什麼特徵？
照片﹙圖1及圖2﹚是在2009年7月2日日落時於吐露港向西拍攝的。照片表明太陽和有色彩的光源近乎在同一水平高度，彩斑出現在太陽右方，接近太陽的一側展現偏紅，遠離太陽的外側展現偏白及有小許偏藍。
圖2︰「幻日」影像放大﹙圖片由陳先生 Mr. CHAN Man-chun, Harold 拍攝和提供﹚
何謂為「幻日」？為什麼照片中的現象是「幻日」？
太陽在日出或日落期間，仰角低因而接近地平線，幻日是因為太陽的光線透過卷雲的六角形冰晶經折射後產生的，在沒有較低雲塊阻礙視野的情況下可以看到。幻日是在太陽左右兩邊大約22度出現在天空的光斑或亮點，與太陽的高度相同。它的出現取決於卷雲的密度，厚度和高度，及觀察者的位置。幻日有一列或一條水平向外伸延帶白色的短光斑或尾巴。幻日在靠近太陽的一端和遠離太陽的一端所觀察到的顏色分別或多或少略帶紅色和略帶藍色。
圖3
圖4︰2009年7月2日下午5時﹙09UTC﹚地面天氣觀察顯示本地和鄰近地區普遍有高雲﹙密卷雲 — 緻密卷雲雲塊dense cirrus patches﹚
在2009年7月2日黃昏日落前，本地有很多高雲，由於高雲雲層較薄，陽光仍可穿透。雷達影像清晰顯示鄰近地區無雨﹙圖3﹚，地面天氣觀察﹙圖4﹚及衛星圖像﹙圖6﹚顯示本地和鄰近地區普遍有高雲。
圖5︰2009年7月2日傍晚8時﹙12UTC﹚的溫熵圖
根據2009年7月2 日傍晚8時的探空資料所顯示﹙圖5﹚，大氣在350hPa﹙大約8600m﹚以下較為乾燥，大氣在350hPa以上較為潮濕，溫度在負20oC 以下，雲層在這個高度以上充滿冰晶。因此，有色彩的光源很可能是陽光透過方向隨機的冰晶折射引起所產生的「幻日」現象。
根據陳先生的觀察，它出現在太陽右邊大約 22 度的位置，因此那就是太陽的虛假影像 -「幻日」。
「幻日」可以只出現在太陽的一邊嗎？
「幻日」一般是在太陽左右兩邊對稱大約22度方位出現，但陳先生不能在左邊見到相同的現象。雖然陳先生沒有說明太陽左邊是否有建築物阻擋，但是單一個「幻日」只在太陽的一邊出現仍然是有可能的。
衛星圖像﹙圖6﹚顯示在香港附近海岸的高雲，南北分佈不很對稱，由於高雲的多少濃密並不均勻或不勻稱，導致另一邊的「幻日」不明顯或不完整是有可能的。例如日落時，前後相繼橫越高空飛翔的噴射飛機，相繼沿著相近且緊貼的航路，噴出多條接近的凝結尾跡，殘留下來的凝結尾跡會成為卷雲，這樣一個不完整且單一的「幻日」便可以出現在這些卷雲上。另一邊的「幻日」也可以被少量較低的雲塊遮蓋。因此有時在一些特殊情況的時刻裡，完整的「幻日」不一定同時清楚地出現在太陽左右兩邊。
圖6︰2009年7月2日下午5時30分﹙0930UTC﹚日本氣象廳MTSAT-1R 紅外光圖像
為什麼「幻日」接近太陽的一側展現偏紅，遠離太陽的外側尾部展現偏白及有小許偏藍？
帶白色的尾部是來自「幻日」亮光的一個短小水平方向伸延部分。這是由於接近紅色和接近藍色的光線波長有小許不同，陽光經透過方向隨機的冰晶折射後，接近紅色和接近藍色的光分佈前後位置稍有偏離後再重疊合成時發生的光學現象﹙圖7﹚。
圖7︰顯示顏色分佈的簡化示意圖。接近紅色﹙A﹚和接近藍色﹙B﹚的光分佈重疊合成﹙A+B﹚的光分佈。
此外，白光在透過六角形冰晶之後，出現色散，分成不同的顏色向前散開。經過同一冰晶出來的不同顏色光線中間會有部份重疊變成偏白色的光﹙圖8﹚。
圖8︰入射白光光束越闊，AB距離越遠，從冰晶出來不同顏色的光線重疊程度越大。﹙圖中光線從冰晶出來的中間部分光線重疊程度被誇大以便於說明﹚
圖9︰雙折射 ﹙概略圖解﹚
還有，由於冰晶是「雙折射結晶體」，對光線有雙折射特性，「幻日」色彩的形成比彩虹是較為複雜的。當一束光線穿過一塊雙折射透明物質時，那束光線將分成在兩個不同方向傳播的兩束光線﹙圖9﹚。因此，通過雙折射物質觀看物體時，會看見兩個分開的影像及在附近部份重疊﹙圖10﹚，出現重影。若白光通過雙折射物質產生出兩個光譜，也會部份重疊合成為一個異常的光譜﹙圖11﹚。
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(a.) 普通的折射產生一個影像
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(b.)雙折射產生兩個部份重疊的影像
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圖10
圖11︰《光譜A》與《光譜B》部份重疊產生《光譜A+B》﹙圖中光譜被誇大以便於說明﹚
為什麼「幻日」在太陽左右兩邊對稱大約22度方位出現？
這是由於「幻日」的形成需要陽光被水平面向的六角形冰晶折射﹙圖12﹚，而六角形冰晶的物理性質﹙折射率﹚導致了陽光通過六角形冰晶後的轉向限制在一個不少於大約22度的「最小偏向角」﹙圖13﹚，且光在22度附近聚集和出現，即是最集中及最強，因而形成光斑或亮點。
圖12︰陽光被水平面向的六角形冰晶折射
圖13︰最小偏向角 ~22o
為何看不到「幻日」遠離太陽的外側展現偏紅？
白光在透過六角形冰晶之後，出現色散，分成不同的顏色向前散開。因為紅光的波長比藍光長，在透過六角形冰晶之後，紅光轉向偏離來源白光光線比藍光少﹙圖12和圖14﹚。
圖14
視角支配我們觀察不同物體相對距離或位置的感覺。由於只有當光在傳播時以恰當的角度進入我們的眼睛，我們才可以看見光。因此，當光來自許多冰晶時，最終的效果是眼睛看見帶紅色的光出現在右邊的「幻日」內側上﹙如圖14所示﹚。
參考資料：
[1] "Atmospheric Halos", David K. Lynch, Scientific American, April, 1978.
[2] "Spacious Skies", Richard Scorer & Arjen Verkaik, David & Charles Publishers, 1989.
[3] "Optical properties of contrail-induced cirrus: discussion of unusual halo phenomena", by Ralf Sussmann, Applied Optics, Vol. 36, No.18, 20 June 1997.
[4] 「幻日」
[5] "Experiments with quartz hexagon - Double parhelia", 4 April 1999, Bob Fosbury's website.
[6] "Laboratory experiments in atmospheric optics", Michael Vollmer and Robert Tammer, Applied Optics, Vol. 37, No. 9, pp. 1557-1568, 20 March 1998.
[1] "Atmospheric Halos", David K. Lynch, Scientific American, April, 1978.
[2] "Spacious Skies", Richard Scorer & Arjen Verkaik, David & Charles Publishers, 1989.
[3] "Optical properties of contrail-induced cirrus: discussion of unusual halo phenomena", by Ralf Sussmann, Applied Optics, Vol. 36, No.18, 20 June 1997.
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[5] "Experiments with quartz hexagon - Double parhelia", 4 April 1999, Bob Fosbury's website.
[6] "Laboratory experiments in atmospheric optics", Michael Vollmer and Robert Tammer, Applied Optics, Vol. 37, No. 9, pp. 1557-1568, 20 March 1998.