♡光与云♡目录

霞

蓝色的天空

曙暮辉

霞的成因

虹与霓

虹的成因

霓的成因

华

光的衍射

日华/月华

虹彩

宝光

天空的微笑

​冰晶

环天顶弧

幻日

幻日环

晕

​ 22°晕/46°晕

上/下切弧

其他​

霞

​◆蓝色的天空

晴天的时候仰望天空，蓝蓝的天上飘着白白的云朵，心情也愉悦起来。阴天的时候，灰蒙蒙的天空，愁云惨淡，人也不免沮丧。

◆瑞利散射/米氏散射

雨后初晴的天空，大气被雨水洗刷后十分的洁净——大颗粒物质基本都被雨水带回地面。空气颗粒主要以氮气和氧气分子为主。单个原子的大小在0.1-0.5nm之间，也就是空气中的大量分子大小在0.2-1.0nm之间。人眼可以可以感受到的波长范围一般是落在360 – 400 nm（紫色）~760 – 830nm（红色）。

光线在穿过大小比自身波长小得多空气粒子的时候，发生明显的瑞利散射——光线穿过气体时，气体分子的电子吸收光子，电子从低能级跃迁到高能级。跃迁后的电子并不稳定，当它跃迁回来时，释放出一个光子。粒子就像一个有一定折射率的球形透镜， 粒子半径和波长相近或大于波长时，被粒子吸收的光子会聚在粒子的正前方较小的角度内放出。光线的偏离角度小，散射小，称做米氏散射。而当粒子半径远小于波长时，光子被吸收后，无法都从光传播方向的正前方出来，一部分的光子便会从粒子边缘衍射到四周。此时光线的偏离角度大，散射大，称瑞利散射。能级越高的光子（紫光）使电子跃迁到越高的能级，高能级电子释放的光子方向性更随机，瑞丽散射程度越大。

典型的瑞利散射的程度和波长的四次方成反比。由光谱数据可求得蓝光的散射强度是红光的五倍左右。

干净的天空，光线大部分发生瑞利散射，蓝紫色的光在大气中强烈的散射，布满整个天空。经过许多次散射后到达我们眼睛的光线大部分是这种蓝紫色的光线。我们的眼睛有蓝，绿，红三种色细胞，对紫光不敏感，所以看到天空呈现蓝色——因为每个人的感光能力不同，所以不同的人看到的蓝也是不同的。虽然红光的散射弱，只能中和小部分蓝紫色的光，但我们的天空也就不是湛蓝色。

◆天空灰

晴天的天顶的颜色比四周更蓝，越接近地平线越发白。在水平的角度，光线需要走过的路程越远，更多的短光被散射掉，而越靠近地面空气中大颗粒越多，发生米氏散射越多，而米氏散射带来的穿透性更强的长光光谱和瑞丽散射的短光光谱更多的中和，到达我们的眼睛就成了灰白色。同样的，当太阳穿过薄的云层（云滴大小在100nm左右）照耀大地，米氏散射大量存在于云彩中，太阳旁的天空看起来是白炽的。

阴天的天空灰白色，是厚云中的较大云粒对太阳光的米氏散射，云层越厚，天空越暗——卷云下的天空淡蓝色，积雨云的云底黑压压。冬季更大的颗粒物质——雾霾对光的散射及折射中使传播中的光线毫无规律的折射，漫反射，天空呈现出乳白色，大部分无法到达地面，冬天的天空阴沉沉的。

◆曙暮辉

云多且厚的时候，光从云隙到达地面，光经过的路途中的颗粒散射的光线到达人眼，在其他区域被云遮挡的暗淡天空下，人眼可见光柱中颗粒的发光而见到光柱。森林中透过树叶的光芒也有类似的现象。曙暮辉因其壮丽的景象常被赋予神性。

◆霞的成因

早晚天边形成的霞，是大气常见的现象。小时候，都学过《火烧云》：天上的云从西边一直烧到东边，红彤彤的，好像是天空着了火。不比太阳高高的挂在天空，地平线的太阳照亮地球，光要走过更长大气层才能到达。

太阳在地平线时，大气层中的空气分子和云粒对光一路散射，折射，穿透力强的长波光红光气喘吁吁的到达地面，而穿透力弱的短波蓝紫光精疲力竭，未及到达便消散在太空中。

以朝霞为例，低的云——图中上部的云只能被穿透力更强的长波光​红光​照亮，红彤彤的。光照亮更高的云，经过的大气路径短，散射和折射较少，波长相对较短的光绿，黄光，穿透力太弱的紫色是无能为力的也能到达，混合光使云层颜色呈亮黄色。而更高的天空，则是光线在更高空的瑞利散射使天空呈现蓝色。

虹与霓

夏天的雨来的快去的急，天空中他们捣乱过，留下彩虹做印记。虹与霓是一对好兄弟，哥哥虹总是冲锋在第一线，明亮分明。腼腆的弟弟霓偶尔跟在哥哥后头露面，羞羞瑟瑟，朦朦胧胧。

★虹的成因

1666年牛顿用三棱镜分出彩虹光谱时，济慈对比大为不满，觉得牛顿先生是焚琴煮鹤，大煞风景：“天空中曾有一道令人敬畏的彩虹，我们知道了它的质地、它的纹理，它就被归入单调无聊的平常俗物……”这和当年阿波罗的登月计划让月光诗性大减，传言说的“人类踏上月球的那一刻，嫦娥便带着月兔永久的离开了广寒宫”一样。

自然并不会因为深入了解了而失去自己的任何一分美丽，济慈先生太玻璃心了。

★七色的原因

雨后的空气中存在大量的小水滴，水滴会对光线折射，光的波长不一，折射的程度也就不一样。

太阳角度较高的时候光线如A，短波的折射率更高，经过反射后从水滴射出，紫光和红光分离。太阳角度较低的时候光如B，以黄光和绿光表示以示区别。水滴反射的光线到达眼睛的时候，眼睛就看见了分开的光线。

★上红下紫的成因

眼睛看到光只能在一个点，光折射后的光纹分得太开，眼睛没法接看到。所以眼睛看到的彩虹，是不同的许多光折射后到达的组合。

★半圆的成因

光要到达眼睛，必须经过同样的角度才能刚好被看见。太阳的尺寸次地球大的多，照射到地球的太阳光可以看做平行光。平行光照射在小水滴上，像各种方向折射。能到达眼睛的光如下图：

以太阳和人的眼睛的连线为轴，彩虹形成在人脸正前方（人背向太阳）以轴上一点为圆心的环上。水滴的范围不够，只能形成小半圈。水滴丰沛，就能形成完整的半圆形。而如果人的视角够高（高山或者飞机上），视平线以下的部分也有水滴反射光线到眼中那彩虹可以形成一完整的圆。

​★追虹

彩虹看上去不远的时候，诸君有没有想过去走走这座七色桥？

当眼睛从a处移动到b处的时候，看到的彩虹的红光由a线换做b线，换个地方，看到的彩虹也就不是之前的那一条了。大部分的光学现象都有这个特质——像只能在特定的地方才能被看见，另一个地方，是不同的成像。

所以，彩虹是没法追的，追彩虹的行为看上去有点傻。

同样的道理，如果在水中看到彩虹，那水中的倒影并不是看到的彩虹的倒影。就像吃葡萄不吐葡萄皮。看到的彩虹的倒影在看到彩虹的地方无法看到。看到的彩虹倒影是另一道彩虹的倒影——彩虹的光线经过镜面反射到达眼睛的角度没法和直接到达眼睛的角度重合。

★霓

虹的孪生弟弟霓偶尔跟着哥哥出现，要仔细看才看的出来。彩虹在水滴中反射一次，霓在水滴中反射两次。

α光线经过一次反射后便折射出来，形成虹，而β光线则经过两次反射后才射出，形成霓。霓的射出光上红下紫，和虹道理一样，人眼看到的是紫色和红色相交的地方，也就是霓是紫上红下，紫色内层，红色外层，和虹相反。

看到彩虹的时候很多，水汽充足的地方背对太阳很容易发现彩虹。瀑布旁，喷泉旁都有彩虹的身影。也可以拿个喷壶背对着太阳喷水，水幕前会出现淡淡的虹影。

日华/月华

●光的衍射

光是一种物质波，所有的波，包括机械波水波都有一样的性质：衍射。衍射能让水波通过小孔继续前行——波前的每一点可以认为是产生球面次波的点波源，而以后任何时刻的波前则可看作是这些次波的包络。​​到达小孔处的水波上的点，可以看做一个新的波源，小孔的大小和波长相近，波穿过小孔继续传播。

具有波粒二象性的光同样有衍射的现象。

太阳光是复合光，复合的白光因衍射角度的不同会分色为多色条纹——上图白光，多条光线形成的多色的光源相互干涉：光波相结合处会看到明亮的光，相抵消处的光线较暗。一种色光的明亮区在另一种色光的阴暗区显现出来，形成色彩次序。干涉的共同结果是在光源周遭形成内蓝外红的彩虹光环。

●日华/月华

太阳光经过水滴大小相近的薄云层，会从水滴的缝隙穿过，产生衍射现象。单条光线经过水滴缝隙做小孔衍射，衍射的多色光谱经干涉，在波峰形成明亮的环，多个环形成彩色的环——华。

太阳的华因为过于明亮的主体一般很难看到——当太阳角度低，或者云层厚且云粒细小能看到。因为华的形成是光线穿过水滴（不局限于水滴，也可以是冰晶，甚至于飘扬到了空中的花粉，火山灰等颗粒物）的缝隙，光强不会减少太强不会减少太多，仅仅是反射太阳光线的月亮形成的月华在满月的云夜也容易被看到。初生的云粒大小相近，更容易形成月华。水滴越小，和光的波长越接近，衍射现象越明显，形成的华越大。水滴变大，衍射现象变小，华的半径就小。

●虹彩

​ 中云和高云的边缘云粒会因蒸发而变小，而长得像飞碟的夹状高积云——作为地形云之一的夹状云是气流遇到山体，为了穿越障碍被迫抬升，气流在背风的山顶呈波浪状前进，水滴随着气流的移动，在云的一侧形成，在另一侧蒸发，没有时间聚合为更大的水滴，整片云看上去没有动，云粒的小水滴总是非常微小，光线经过云层边缘时，便会发生衍射现象，形成和华一样的效果——晕彩效应。波浪形的云边缘衍射光线，形成绚烂的珍珠光泽的彩云。希腊神话中的伊里斯女神是彩虹女神，到她主管的不是彩虹，而是这样的虹彩。

●宝光

朋友从牛背山回来说除了无与伦比的日照金山，还看到了宝光。

空气中的小水滴能够反射光形成彩虹，雾也是由小水滴组成，但是雾中小水滴非常小，所以无法形成七彩光环，往往只是单色的拱。

当登山爱好者们爬山海拔高的山顶，脚下往往是云海，雾海。光线从身后传播到眼下的云雾，先是散射经过小水滴，也可能伴有轻微的衍射，​光线经过小水滴后，和下方的更多小水滴形成雾虹。雾虹的光线再次穿过第一次经过的小水滴，发生衍射现象，形成宝光。

宝光和华一样，外红内紫。当人的距离到云雾的距离很近时，光线无法穿过人体的部分在宝光下部分投下阴影。如果距离较远，能形成完整的圆。

天空的微笑

■冰晶

冰晶的形成凝结核是必不可少，大气中的过冷的水蒸气会在冰凝结核上凝华使冰核增长形成冰晶。这个过程与大气中的温度和湿度有密切联系，不同环境中形成的冰晶形状是不同的。若冰晶周围水气多，则垂直于光轴的六个角增长较快，就形成片状冰晶；若冰晶周围较干燥，则平行于光轴的两个底面增长较快，便形成柱状冰晶；若水气适中，则形成片状雪花。

在天空中形成光学现象的冰晶一般是卷云中的冰晶，卷云中的冰晶多呈片状或柱状。

冰晶在空中不会长久保持一个形态，下落过程中，冰晶倾向于使自身所受的阻力最大。受自身形态和大气运动的影响，冰晶在大气中下落时会呈现的不同的运动模式，称作取向。

■环天顶弧

环天顶弧，又叫“天空的微笑”。是弧线向上弯曲和彩虹相反的光环，像天空露出笑颜。

光线依次通过晶体的一个面射入，一个面射出时发生两次折射，存在一个最小的偏转角度，称为最小偏向角。最小偏向角的值受折射率和入射面与出射面夹角θ的影响。在这个角度上出射光线最为密集，它决定了某种冰晶晕到光源的大致距离。

环天顶弧的光路从顶面射入，从某一个侧面射出，θ为90°。90°晶面的最小偏向角为46°，环天顶弧属于46°plate弧。

环天顶弧的视觉成像和彩虹有相似处：上紫下红的原因是只经过折射而与无反射。环天顶弧以眼到天顶连线上一点为圆心，因为太阳照射角度的关系，只有太阳侧的四分之一有环。

和环天顶弧类似的，是环地平弧。环天顶弧在太阳角度高于当太阳的角度高的时候32°的时候便不能成像。而太阳高于58°则可能形成环地平弧。环地平弧的光路从一个侧面射入，从地面射出，θ为68°时成像最为清晰。

环地平弧也是以天顶连线一点为圆心，因为靠近地面成圆，半径相当大，和同样以天顶连线为圆心的地平线平行。一般看见的环地平弧像是直线便是这个原因。

幻日

后羿射日的故事家喻户晓。天上的十个太阳被后羿一举射落，只剩一个照耀大地。古代的神话故事总是有些夸张，天上没法同时出现十个太阳，只能同时出现9个。此处没有搞笑——九个太阳里，有八个可能是幻日。

幻日可能和“天空的微笑”同时出现，他们都是片晶plate取向的现象。不同的是，天空的微笑光路由顶射入，侧边射出。而幻日光路由一个侧面a射入，从另一个与入射面成60°的侧边b射出。当太阳角度较低时，形成幻日的最小偏向角为22°。而因为色散，靠近太阳一侧为红色，原理太阳的一侧因为光强，一般较少显示为紫色，而是亮黄白色。22°幻日出现的概率每年有几十次，太阳角度较低时抬头望天时可以细心搜寻。

当太阳高度很低的时候，22°幻日非常明显。可能同时出现44°幻日——经过片晶第一次折射后的光线再一次被片晶折射，非常淡，非常难以见到，120°幻日——片晶入射后，经过一次反射，从入射面的正对面折射出来，在看到22°幻日的背面，需要转身才能看到，66°幻日——原理不明，以及及其罕见的Liljequist幻日——传说级别的存在。下面是9个太阳。

Z为天顶，最外圈为地平线，EE′为22°幻日，DD′为44°幻日，BB′为66°幻日，AA′为120°幻日，AA′两旁是Liljequist幻日可能出现的位置。

幻日环

​幻日总是出现的在幻日环的环上。幻日环由自由取向的片状/柱状冰晶反射形成。反射可以只在外部，形成靠近太阳附近的幻日环；也可以经内部多次反射，形成远离太阳部分的幻日环。多次的反射会使得折射变得不对称，在远离太阳的部分会分离而产生一些颜色。

晕

▲22°晕/46°晕

22°晕是常见的晕，仔细观察搜索的话一年能看到百次左右。晕由random取向（自由散漫无规则运动）的柱状冰晶形成。从一个侧面射入，从另一个夹角成60°的侧面射出，和幻日形成的光路有些类似。日晕常由卷云或卷层云的冰晶形成，内层红，外层紫或白。

46°晕少见，一年只出现几次。

▲上/下切弧

环天顶弧是44°晕的切弧，上/下切弧是22°晕的切弧。切弧是柱晶colume取向的现象。切弧的形状受太阳高度影响非常大，从太阳高度0°的两次立起的海鸥状，到太阳30°左右平展双翅状，到太阳高度90°的和22°晕重合的下扇翅膀形状。

其它

阅读链接：

感谢阅读