日暈是怎么形成的？卷云冰晶折射與22°暈環(huán)科學(xué)原理

日暈（尤其是最常見的22°暈環(huán)）的形成是一個令人驚嘆的大氣光學(xué)現(xiàn)象，其核心在于高空卷云中的六角形冰晶對陽光的折射。其科學(xué)原理可以分解如下：

必備條件：卷云與冰晶

• 卷云： 形成日暈的云通常是高云族的卷云（Cirrus），它們位于距離地面6000米以上的高空。這里的溫度非常低（通常在-15°C以下），水以固態(tài)冰晶的形式存在，而不是液態(tài)水滴。
• 六角柱狀冰晶： 卷云中包含大量微小的冰晶。這些冰晶在特定的溫濕度條件下生長，最常見的形狀是六角柱體（像一個微小的六角形鉛筆）。它有六個矩形的側(cè)面和兩個六邊形的端面（頂面和底面）。這種規(guī)則的幾何形狀是形成特定角度暈環(huán)的關(guān)鍵。

核心過程：光的折射

• 折射定義： 當光從一種介質(zhì)（如空氣）進入另一種密度不同的介質(zhì)（如冰）時，其傳播方向會發(fā)生偏折，這種現(xiàn)象稱為折射。
• 冰的折射率： 冰對可見光的折射率大約在1.31左右（空氣≈1）。這意味著光進入冰晶時會向法線方向偏折，離開冰晶時則會遠離法線方向偏折。
• 特定的光路：22°暈的成因
  • 對于22°日暈，起主導(dǎo)作用的光路是：光線從一個六角柱冰晶的側(cè)面（矩形面）射入，然后從相鄰的另一個側(cè)面（相隔60°角的矩形面）射出。
  • 在這個過程中，光線在冰晶內(nèi)部經(jīng)歷了兩次折射：一次進入冰晶，一次離開冰晶。兩次折射的方向改變疊加起來，使得入射光與最終出射光之間的夾角（偏向角）發(fā)生顯著變化。
  • 最小偏向角： 物理學(xué)原理（斯涅爾定律）表明，對于特定的棱鏡角度（這里是60°）和特定的折射率（冰≈1.31），存在一個最小偏向角。當光線以特定的角度入射并通過棱鏡對稱傳播時，其總的偏向角最小。對于60°棱角（即六角柱相鄰側(cè)面的夾角）和冰的折射率，這個最小偏向角約為22°。
  • 為什么是環(huán)狀？ 空中的冰晶是隨機取向的。想象一下，有無數(shù)個微小的、方向各異的60°冰棱鏡懸浮在空中。雖然每個冰晶的方向不同，但所有那些恰好能將光線偏折約22°（最小偏向角附近）的冰晶，它們貢獻的光線會形成一個以太陽為中心、半徑為22°的圓錐面。站在地面的觀察者看到的是這個圓錐面與天空相交形成的圓形光環(huán)，這就是22°暈環(huán)。

顏色的產(chǎn)生：色散

• 色散原理： 冰（像玻璃一樣）對不同顏色（波長）的光具有略微不同的折射率。紫光（短波長）折射得比紅光（長波長）更厲害。
• 暈環(huán)的色彩： 在形成22°暈的光路中，這種折射率的差異導(dǎo)致了色散。由于最小偏向角原理，紅光在最小偏向角附近被偏折的角度略小于紫光。
• 顏色排列： 因此，在22°暈環(huán)上，通常可以看到內(nèi)側(cè)（靠近太陽一側(cè)）呈淡藍色或藍綠色，外側(cè)呈淡紅色或橙色。不過，由于暈環(huán)整體亮度較弱，顏色通常比較柔和、暗淡，有時肉眼難以清晰分辨顏色，呈現(xiàn)為白色光暈，但仔細看或拍照后增強對比度通常能觀察到色散現(xiàn)象。注意： 有時描述為“內(nèi)紅外紫”，這與觀察者看到的暈環(huán)位置和光路方向有關(guān)。在標準的22°暈中，由于紅光偏折角最小，它更靠近暈環(huán)的內(nèi)邊緣（離太陽更近），藍紫光更靠近外邊緣（離太陽稍遠）。所以更準確的描述是內(nèi)（太陽）側(cè)偏紅，外（遠離太陽）側(cè)偏藍。

總結(jié)日暈（22°暈環(huán)）的形成步驟：

關(guān)鍵點強調(diào)：

• 冰晶形狀是基礎(chǔ)： 六角柱狀冰晶及其60°棱角是形成22°固定角度的核心。
• 折射是機制： 光線在進出冰晶側(cè)面時發(fā)生的兩次折射造成偏折。
• 最小偏向角是關(guān)鍵： 物理學(xué)的最小偏向角原理決定了這個偏折角被“鎖定”在22°附近。
• 隨機取向成環(huán)： 冰晶方向隨機，使得符合條件的光線形成環(huán)狀。
• 色散帶來色彩： 不同顏色的光折射率不同導(dǎo)致暈環(huán)呈現(xiàn)顏色（內(nèi)紅/黃，外藍/綠，但通常較淡）。

因此，當你看到天空中出現(xiàn)一個圍繞太陽的、大致22°半徑的彩色（或白色）光環(huán)時，那正是高空卷云中無數(shù)微小的六角冰晶，如同億萬片精心排列的棱鏡，將陽光精確地折射并匯聚到你的眼中，展現(xiàn)出大自然精妙的光學(xué)杰作。