近日，北京的天空中出现一个罕见的自然现象：太阳的左右两侧各有一个明亮的光斑，看起来就像是3个太阳同时挂在空中。这一奇观其实是个光学“魔术”，正式名称为“幻日”，是大气中悬浮的冰晶对阳光折射之后产生的一种冰晶晕。中国科普作家协会会员雷淼介绍，其实在冬季，除了幻日之外，与冰晶晕相关的自然奇观还有很多。
2024年12月10日，幻日美景现身北京，与故宫角楼相互映衬。
（1）幻日：光学“魔术”变出多个太阳
大气光学现象是指光在通过大气层时，由于大气中分子、气溶胶和云雾等粒子的作用导致的各种光学现象。这些光学现象包括晕、虹、霞、蜃楼等，其形成原理是光的折射、反射、衍射和散射等。此次北京出现的幻日便是晕的一种。
云中冰晶的尺寸从几十微米到几百微米不等，大部分冰晶为六棱柱形，共有8个面，其中两个底面平行，6个侧面围成正六边形。阳光照射时，从一个侧面钻进冰晶，又从夹角60°的另一个侧面钻出来，这一进一出，总共会使阳光偏折22°左右。因此，在太阳左右两侧各22°的方向，当人们看到被冰晶折射过来的阳光最为集中显著时，两个假太阳就出现了，如同一场光学“魔术”，贡献了3个太阳的幻日奇观。幻日出现的季节大多是冬天，特别是在高纬度地区或日出、日落前后。
（2）环天顶弧：“倒挂彩虹”最为壮观
伴随着幻日出现的，常常还有环天顶弧。这种现象又称“倒挂彩虹”或“天空的微笑”，指在靠近太阳一方的天空高处，出现一小段上蓝下红的彩色圆弧，它凸向太阳方向，圆心是天顶。其实，环天顶弧也是一种冰晶晕，它是阳光从片状冰晶的顶面射入，又从侧面射出时发生的折射与色散（指复色光分解为单色光而形成光谱的现象）。北京这次出现幻日的同时，也出现了环天顶弧。
环天顶弧色散强烈，色彩特别鲜艳，它与幻日的形成条件一样，要求太阳的位置较低。一旦太阳仰角超过32°，环天顶弧就消失了。不过，如果太阳仰角58°的时候，则有机会在靠近地平线的方向看到另一种彩色冰晕，上红下蓝，叫作环地平弧，但它一般不会在高纬度地区出现，也不青睐太阳低垂的冬季。
2023年2月2日，日晕、幻日、环天顶弧在北京上空“集合”。
（3）云巅闪光：空中有朵“跳舞”的云
自然界还有一种非常罕见、特别的冰晶晕，叫作云巅闪光。它的外观是一缕明亮的云丝，总是出现在高高的积云之巅，时而直立，时而躬身，时而昂首，时而展臂，像个专业模特一样摆出各种造型。实际上，云巅闪光也是一种幻日，只是它的冰晶姿态会受到下方带电积云的电场控制。每当云中发生放电现象时，这些冰晶就会集体改变姿态和太阳光路，瞬间产生明暗变化。尽管每片冰晶并未移动太远，但就像大型活动中的拼字表演般，它们通过改变自身的明暗和色彩，给地面上的人们造成一种空中有朵“跳舞”的云的假象。
在夜间，还有一种冰晶晕叫作“寒夜灯柱”，一道道五颜六色的光柱直指夜空，如同极光一般。其实，这些光柱的源头就是地面上的灯光，而宁静的寒冷空气中悬浮的冰晶就像无数面一致朝下的镜子，把灯光反射到人们眼中，就形成了“寒夜灯柱”的奇观。
2024年12月12日，黑龙江漠河北极村出现罕见的“寒夜灯柱”奇观。
其实，冰晶晕现象不光出现在白天。只要冰晶的姿态合适，在皎洁的月光照耀下，也会形成幻月、月晕、月华、环天顶弧、环地平弧等现象。有时，明亮的火流星也能照彻夜空，使类似的冰晶晕出现。
总之，大气光学是研究光通过大气时的相互作用和由此产生的各种低层大气光学现象的一门学科，属于大气物理学的一个分支。通过研究大气光学，人们可以探知相关气象参数，如云高、云密度、固液颗粒尺寸等，为天气预报、大气环境、气候研究提供重要依据。此外，大气光学研究对天文观测、光通信技术、光污染控制等也具有重要意义。
（供图：视觉中国）
