日暈呈現圓形主要是由太陽光在高空六邊形冰晶中的折射規律以及冰晶的隨機取向共同決定的。核心在于最小偏向角的存在和光線路徑的對稱性。以下是詳細的物理學解析：
關鍵物理原理：最小偏向角
冰晶結構：
- 形成日暈（尤其是22°暈）的冰晶通常為正六邊形棱柱（截面為正六邊形）。
- 光線從棱柱的一個側面射入，從另一個側面射出（路徑類似通過一個60°頂角的棱鏡）。
折射定律與最小偏向角：
- 當光線穿過冰晶時，會在入射面和出射面發生兩次折射。
- 對于固定頂角的棱鏡（此處頂角α=60°），存在一個特定的入射角，使得光線的總偏向角δ達到最小值，稱為最小偏向角（δ?）。
- 對于冰晶（折射率n≈1.31），60°頂角對應的最小偏向角約為22°（計算式：δ? = 2i - α，其中i滿足折射定律）。
為什么偏向角集中在22°？
- 當冰晶隨機取向時，只有那些光線入射方向接近最小偏向角條件的冰晶，才能將陽光高效地折射到觀察者眼中。
- 其他入射角的光線偏向角大于22°，且亮度較弱，因此觀測到的主要是22°附近的光線。
圓形光環的形成機制
光錐對稱性：
- 所有滿足最小偏向角條件（δ=22°）的光線，會形成一個以太陽為中心的圓錐面。
- 圓錐的頂角為2×22°=44°（光線與太陽-觀察者連線的夾角為22°）。
天空投影為圓形：
- 觀察者看到的“光環”實際是這個光錐與天空背景的交線。
- 由于光錐的軸對稱性（繞太陽-觀察者連線旋轉對稱），交線必然是一個圓形。
冰晶隨機取向的作用：
- 高空冰晶方向是隨機的，但只有棱柱軸近似垂直地面（即入射面水平）的冰晶才能將光線折射到人眼。
- 這類冰晶在水平方向均勻分布，保證了光錐在水平面上的投影是完整的圓環。
補充關鍵點
- 為什么不是其他形狀？
- 若冰晶完全定向排列（如全部水平），日暈可能呈現弧形（如太陽位置低時）。但自然條件下冰晶取向足夠隨機，形成完整圓環。
- 太陽高度的影響：
- 當太陽位于地平線時，日暈是完整的圓環；太陽越高，地平線以下的半圓不可見，觀測到的圓弧越短。
- 22°暈 vs 46°暈：
- 46°暈由光線從六邊形冰晶的底面射入、側面射出形成（頂角90°），最小偏向角約46°，形成原理相同。
總結
日暈的圓形本質是幾何光學折射規律與概率統計的結果：
六邊形冰晶對陽光的折射存在
最小偏向角（22°）；
滿足該角度的光線構成以太陽為中心的
圓錐面；
隨機取向的冰晶使該圓錐在天空中的投影呈現
完美圓形。
這一現象與彩虹的圓弧形成原理不同（彩虹由水滴反射折射形成，且依賴于觀察者位置），但都體現了自然界中光與規則幾何結構的奇妙相互作用。
知識擴展：若在極地觀察，冰晶可能定向排列形成“幻日”（光斑）或“環天頂弧”（倒彩虹），此時圓形會被打破，進一步驗證了冰晶取向的關鍵作用。
