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2017/12/07
光象—虹、霓、暈、華

 

「江城如畫裡,山曉望晴空。兩水夾明鏡,雙橋落彩虹。
人煙寒橘柚,秋色老梧桐。誰念北樓上,臨風懷謝公。」

秋登宣城謝朓北樓——李白

自古許多名人雅士都喜歡歌詠天上的彩虹,孩子們也總愛在雨後的戶外,對著天邊那一抹絢爛多彩興奮不已。是什麼原因讓平白無奇的陽光,幻化成色彩鮮豔的虹橋呢?除了彩虹,你還見過天空中有哪些光學現象呢?

平常我們眼睛看到的陽光雖然近似白色,但實際上陽光是由紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫等不同顏色與波長的光線組成。當陽光通過介質時,每種波長的光線在介質中前進的速度均不同,光線行進速度的差異會造成折射角的不同,以致使光線產生分離現象,稱為色散現象(Dispersion)。許多大氣的光學現象,如虹、霓、暈、華等,都與自然光源產生色散有關。

 

虹與霓(Primary and Secondary Rainbow)

下雨過後,雲層遠去、陽光重現,此時大氣中充滿無數球狀的小水滴,當陽光以不同角度照射這些小水滴時,會在水滴內產生折射與反射等光學作用。由於水的物理性質,陽光在水滴內經過折射與反射後,出射光線與入射陽光夾角在40°~42°的反射強度最大,因此在觀察者視線與地平面呈42°左右的仰角時,可以觀察到虹(Primary Rainbow)的形成,這是陽光在水滴內經過一次反射及兩次折射的結果。由於不同波長光線對水滴的折射率不同,使得紫色光偏折的角度最大,紅色光偏折的角度最小,所以虹的色彩排列是內紫外紅

臺灣上空所拍攝的虹與霓。

虹與霓

霓(Secondary Rainbow)的成因與虹相同,都是陽光通過小水滴時被色散而成;但形成霓的陽光在水滴裡是經過兩次反射及兩次折射,所以霓出現的角度比虹稍高(仰角約50°左右),其寬度約為虹的兩倍,而且由於多一次反射,所以強度(明顯度)只有虹的十分之一,色彩排列則與虹相反,為內紅外紫

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虹與霓形成示意圖

虹與霓是觀察者看見的一種光學現象,因此會隨著觀察者的位置而改變。太陽必須由觀察者的後方以低角度照射,才有機會觀察到虹與霓,如果太陽的角度太大(如正午直射),則大部分的虹將落於地平面以下而無法被我們觀察到。完整的虹與霓為正圓形,觀察者必須在高空才有機會看到,在地面上由於受到地形與角度的關係,所以我們見到的虹與霓是弧形的。此外,小水滴的大小決定了虹與霓的色彩強度與寬度:水滴越大,則色帶寬度越窄,但色彩越鮮明;反之,則色帶寬度越寬而色彩黯淡。

事實上,除了虹與霓之外,陽光在水滴裡還可能經過三次或四次反射,形成三次虹(The Third-order Rainbow)或四次虹(The Fourth-order Rainbow),它們則出現在與太陽同一側的天空;此時由於陽光強烈,所以很難被觀察到。

 

暈(Halo)

「暈」是陽光或月光穿越懸浮在大氣中的冰晶,經過折射或反射過程所形成的光學現象。暈通常在太陽或月亮的周圍出現,型態可以是白色或彩色的光環、光弧或光斑,如果是彩色的光環,色彩是內紅外紫的排列。

形成暈的冰晶,一般存在於高空的卷層雲中。這些冰晶的類型、晶體排列方向、冰晶的移動與太陽仰角等眾多因素,決定暈的型態。常見的暈有22°暈(circular halo)、光柱(light pillar)與幻日(sun dog)。

  1. 22°暈(22° Halo)與46°暈(46° Halo)
    22°暈又稱小暈(Small Halo),為陽光在柱狀六角形冰晶內,經過60°夾角的兩個相鄰晶面兩次折射後形成的內紅外紫光環,在以太陽為中心、觀察者視線夾角22°的方向可以看到。46°暈又稱大暈(Large Halo),是陽光經過冰晶內90°夾角的兩個相鄰晶面折射而形成,在以太陽為中心、觀察者視線夾角46°的方向可以看到。
    陽光通過冰晶內夾角60°的兩個相鄰晶面,折射後產生22°暈。陽光通過冰晶內夾角90°的兩個相鄰晶面,折射後產生46°暈。
    22°暈與46°暈形成示意圖
  2. 光柱(Light Pillars)
    「暈」是光線在冰晶內折射而形成,「光柱」則是因為光線反射在與地平面幾乎平行的冰晶面上而形成。光柱通常發生在日出或日落時(或者月升月落時),當太陽(或月亮)低於水平面仰角6°、或甚至低於地平面時,可以觀察到從光源延伸向上(或向下)的發光薄柱,便是光柱。
    在美國維吉尼亞州所拍攝的日光柱(Sun Pillar)。
    陽光形成的光柱(圖片來源:NOAA Photo Library)
  3. 幻日(Parhelion或Sundog)
    幻日是陽光被盤狀六角形冰晶折射與散射,因而在22°暈光環上、與太陽同水平高度所出現的兩個太陽虛像,也是在日出或日落時出現。同樣情形出現在月亮上,稱之為幻月
    陽光被盤狀六角形冰晶折射與散射,在22°暈光環上、與太陽同水平高度出現兩個太陽虛像即為幻日。
    幻日形成示意圖

在現代氣象學發展之前,「暈」這一類的大氣現象,常作為經驗法則的氣象預測基礎。像是古人說「月暈而風,礎潤而雨」,這是因為月暈由高空卷層雲的冰晶折射而成,卷層雲通常出現在冷暖空氣交界之不穩定區的前方,所以觀察到暈的形成表示天氣即將轉為不穩定的雲雨型態。至於「日暈」,在天氣晴朗時通常不會超過半小時;如果日暈持續超過兩小時,則可能是天氣惡化的前兆。

研究人員在南極所拍攝的日暈,可以觀察到數種暈象,包括22°暈、幻、幻日環與上切弧。

南極的日暈(Solar halo)(圖片來源:NOAA Photo Library)

 

華(Corona)

當天空中的自然光體,如太陽、月亮、金星等的光線,穿過帶有細小水滴或是微粒冰晶的薄雲層、或是霧狀玻璃表面時,光線會產生繞射現象(diffraction)。此時,因繞射作用而產生的光,彼此之間將相互干擾,結果在自然光體周圍形成內紫外紅的彩虹光環,這種光環稱之為「」。完整的華應該是數個圍繞在光體四周的彩色同心光環,中心明亮的區域稱為光輪(Aureole),光輪通常是華最清晰可見的部分。「華」一般出現在中低空有薄雲層時,雲層內的水滴大小會影響「華」的型態:水滴大小相近時,「華」的光環是鮮明的圓形,反之則模糊不清;水滴的直徑,則與華的半徑成正比。在太陽周遭出現的「華」,我們稱為日華(Solar Corona),在月亮周圍出現的稱為月華(Lunar Corona)

日華的顏色排列跟霓一樣,靠近太陽的內圈偏藍紫色,外圈則偏紅橙色。日華的觀測不易,主要是因為陽光太過強烈的緣故,但我們可以透過一些方式遮蔽強烈的陽光來觀察日華,例如在林蔭間透過葉片遮蔽陽光來觀測日華;或在陽光較微弱時(如日出或是日落),觀察被物體(山體、建築物或路燈)遮住的太陽;也可以用物品遮擋水中反射的陽光,觀察在水面反映出來的日華。

由於月光較為微弱,於是顏色黯淡的月華,反而較常被看見;尤其在月圓之夜並出現高積雲、卷積雲或莢狀雲的雲層時最容易觀察到。

中低空薄雲層造成月華現象。

月華(Lunar corona)

若是天空布滿片狀、不規則的薄雲層,「華」便無法形成完整的彩色光環,於是呈現不規則形狀的雲彩,稱做彩雲(Iridescent Clouds)

因光線通過寒冷的卷積雲水滴所形成的光學現象——彩雲。

光學現象——彩雲(圖片來源:NOAA Photo Library)

「華」跟「暈」的主要差別,在於「華」是光線穿越細小水滴或細小冰晶,因繞射作用而形成的光象;而「暈」是光線穿過較大冰晶,受到折射作用所形成的光象。

 

我們所觀察到的每一種光象,其形成原因都代表不同的天氣狀況,每一種光象其實都具有大氣科學的意涵,能夠提供相當多的氣象資訊,下次當你看到這些光學現象時,就能了解當時的大氣狀況了。

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