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環地平弧

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環地平弧

2017年8月

2017年7月19日及8月10日接近中午時分,香港上空都曾經隱約出現了一道平直「彩虹」的有趣現象(圖一(a)及(b))。它其實並非彩虹,而是稱為「環地平弧」的一種光學現象。

當太陽或月亮的光線被大氣中的冰晶折射或反射,就會產生統稱「暈」的光學現象。最常見的「暈」是圍繞着太陽,視度半徑為22度的日暈[1]。「環地平弧」雖看似一道彩虹,但它其實屬於「暈」其中一種的光學現象,其出現的機會比「22度暈」為低。

究竟「環地平弧」是怎樣形成的呢?首先就是大氣層上空有 卷雲。當卷雲內六角形碟狀的冰晶平浮在高空時,陽光經冰晶的垂直側面進入,折射到其水平底部出來。由於折射的幅度不同,白光便分拆出不同顏色的光(圖二(a))。而最關鍵的因素是在於太陽照射冰晶側面的角度必須超過58度(圖二(b));因此,它只會在接近正午時才有機會出現,而當太陽的照射角度約為68度,它的強度會達到最高。「環地平弧」與「22度暈」不同的地方是它出現在太陽的下方,位置較接近地平線,並向水平方向伸展,其頂部為紅色,底部為紫色(顏色排列與「主虹 」 相同)。

能否觀看到「環地平弧」,亦需視乎觀察者的地理位置。若觀察者身處緯度55度或以上(例如一些北歐國家),便會因為太陽的仰角長期低於58度而無緣觀看到這現象。此外,一般人亦很容易混淆「環地平弧」和「虹彩雲」。兩者雖然相似,但成因有別,詳細資料可參考天文台「度天賞雲」電子雲書內之」「虹彩雲」

天上奇景姿態萬千,有另一種同樣使人驚歎的光學現象,稱為「環天頂弧」(圖三)。「環天頂弧」同樣是源自陽光經過平浮於卷雲內的六角形碟狀冰晶折射而成(圖四(a)),但與「環地平弧」不同之處是:「環天頂弧」出現在太陽上方,並呈弧狀環繞天頂。它的頂部(內側)為紫色,底部(外側)則為紅色,顏色排列與「環地平弧」相反,看起來像一條上下倒轉了的彩虹;此外「環天頂弧」的形成是由陽光經冰晶的水平頂部進入,折射到其垂直側面射出,而太陽的入射角度要少於32度時才會形成(圖四(b))。由於太陽的入射角度較低,有時「環天頂弧」會與幻日同時出現。若太陽照射的角度超過約32度,則只會產生單色(白色)的「幻日環 」[2]

由於「環地平弧」和「環天頂弧」需要多項條件配合下才出現,因此都比「22度暈」較為少見。

圖一

圖一     (a) 2017年7月19日接近中午時分出現「環地平弧」光學現象﹙照片由香港天文台天氣觀測員拍攝﹚。

圖二

圖一     (b) 2017年8月10日接近中午時分出現「環地平弧」光學現象﹙照片由香港天文台天氣觀測員拍攝﹚。

圖二

圖二     (a)太陽光線從六角形碟狀冰晶的側面進入,經過兩次折射後,經底部出來。因不同顏色的光波長不同,在冰晶內的移動速度不同,以不同的角度折射出來;(b)若太陽光線的入射角度少於58度,光線便會在冰晶內反射而不能產生「環地平弧」。

圖三

圖三     「環天頂弧」照片(來源:世界氣象組織「國際雲圖」網頁)

圖四

圖四     (a)太陽光線從六角形碟狀冰晶的頂部進入,側面射出,並經折射後分成不同顏色; (b)若太陽光線入射角度超過32度,光線經冰晶內反射後從底部以反方向折射出,不同顏色射線匯聚而產生單色(白色)的「幻日環」。

參考資料:

  1. 世界氣象組織「國際雲圖」網頁 (英文版)
  2. 世界氣象組織「國際雲圖」網頁 (英文版)