冰晶暈（ice crystal halos），亦稱大氣暈族（atmospheric halos）或冰暈（ice halos），是一類由大氣中的冰晶折射和反射光線所形成的光學現(xiàn)象，表現(xiàn)為天空中出現(xiàn)的白色/彩色的光環(huán)、光斑和光弧。與虹、華等其他大氣光學現(xiàn)象相比，冰晶暈的種類更為多樣，形態(tài)也更為豐富，具備更高的觀賞性。研究冰晶暈，對了解大氣各項物理特性，如溫度和運動模式等有很大幫助。

由于種種原因，中文世界在這方面的資料較為缺乏，國內(nèi)大眾對此亦不甚了解，媒體相關(guān)報道也時有錯誤。本文將盡可能全面地介紹一些基礎(chǔ)知識和常見的冰晶暈。

囿于本人水平，文中可能出現(xiàn)疏漏或錯誤之處。望各位不吝批評指正。

注：下文中的光路圖來源于Walter Tape所著的Atmospheric Halos一書以及Arbeitskreis Meteore e.V.網(wǎng)站。冰晶暈模擬圖來源于Taivaanvahti網(wǎng)站。文中所有照片的版權(quán)歸原作者所有。

為了幫助理解，首先需要介紹一些基本知識～

①能夠形成冰晶暈的冰晶，其尺寸通常在數(shù)十微米至數(shù)百微米不等，肉眼幾乎不可見，需要借助顯微鏡觀察細節(jié)。這樣的冰晶按其形態(tài)主要可以分為三類，分別稱作柱狀冰晶（column crystals，簡稱柱晶）、片狀冰晶（plate crystals，簡稱片晶）和錐狀冰晶（pyramidal crystals，簡稱錐晶）。其中柱晶和片晶都是六棱柱形狀，只不過是高度和直徑之比存在差異。而錐晶則較為罕見，其形態(tài)也富于變化（因此，由錐晶形成的冰晶暈也很罕見，不在本文討論范圍內(nèi)，將來會作介紹）。

②冰晶在大氣中下落時，傾向于使自身所受的阻力最大。受其自身形態(tài)和大氣運動的影響，冰晶在大氣中下落時會呈現(xiàn)不同的運動模式，稱作取向（orientation）。目前我們所知的典型冰晶取向有五種，前三種很常見，分別是：

random取向（random orientation）：冰晶無固定運動方式，在大氣中做隨機性的運動。

column取向（column orientation）：柱晶通常采取的取向。冰晶c軸水平，同時在大氣中旋轉(zhuǎn)和翻滾。

plate取向（plate orientation）：片晶通常采取的取向。冰晶c軸垂直，同時在大氣中旋轉(zhuǎn)。

其余兩種取向是以人名命名的，分別是Parry取向（Parry orientation）和Lowitz取向（Lowitz orientation），這兩種取向比較罕見，由它們所形成的冰晶暈因此也相對罕見，將來會有文章細致介紹。

當然，實際情況下的取向不可能是完美的，冰晶總會有或大或小的擺動。一般地，擺動越小，形成的暈象就越清晰，觀賞性就越高。

③光線依次通過晶體的兩個面（一個面射入，一個面射出）時發(fā)生兩次折射，存在一個最小的偏轉(zhuǎn)角度，稱為最小偏向角（minimum deviation angle），在這個角度上出射光線最為密集。它決定了某種冰晶暈到光源的大致距離。最小偏向角的值受折射率和入射面與出射面夾角（記作θw）的影響。

不同顏色的光折射率不同，因而光線折射時會發(fā)生色散，使一些冰晶暈帶上彩色。規(guī)律是：彩色的冰晶暈，靠近太陽的一側(cè)為紅色，遠離太陽的一側(cè)為藍色。

不過在粗略計算中，由于不同顏色光折射率差異不大，很少考慮折射率的影響。如果把折射率視為定值的話，最小偏向角就只是θw的函數(shù)了。

④光線通過冰晶時發(fā)生折射和反射，其路徑稱為光路（ray path）。一種冰晶暈可以對應(yīng)一種或幾種光路。

下面是正式的介紹～

「60°晶面」

60°晶面冰晶暈的光路是類似的，光線都是從六棱柱冰晶的一個側(cè)面射入，從相間的一個側(cè)面射出，θw為60°。我們可以計算出，此時光線的最小偏向角約為22°。

22°暈（22°halo）

這是最常見的一種冰晶暈。日常語言中所稱的“日暈”“月暈”大多數(shù)情況下指的就是22°暈。在中國，它每年可以出現(xiàn)幾十乃至上百次。如果你很少見到它，多半是因為留意太陽較少，加之其有時較為微弱的緣故。

22°暈通常出現(xiàn)于卷云或卷層云之上，這類云包含大量微小的冰晶。當看到天空中好像蒙著一層“薄紗”時，就可以留意一下是否有22°暈出現(xiàn)。

22°暈是環(huán)繞光源、角半徑約為22°的暈圈。把手臂伸直，再將五指完全張開，此時大拇指和小指之間的距離，大約就對應(yīng)著天空中22°暈的半徑。

22°暈可以出現(xiàn)一定程度的色散。當然，若冰晶質(zhì)量不佳或光源強度較弱，色散可能不明顯。

22°幻日（22° parhelia, sundogs）

22°幻日也是最為常見的冰晶暈之一，僅次于22°暈。在中國大部分地區(qū)每年可出現(xiàn)數(shù)十次。

22°幻日表現(xiàn)為居于光源兩側(cè)的兩個對稱的亮斑。媒體報道中常說的“三個太陽”，左右兩個太陽即是22°幻日。太陽高度較低時，幻日出現(xiàn)在22°暈上；隨太陽高度增大，其相對太陽的張角也變大，光強亦逐漸減弱，太陽高于40°時已經(jīng)非常暗弱，幾乎不可見。

我們可以把22°幻日叫做22°plate弧，因為它是由plate取向的片晶形成的。

22°幻日可出現(xiàn)較為明顯的色散，帶有鮮艷的色彩。

上/下切?。╱pper/lower tangent arc）和外接暈（circumscribed halo）

上/下切弧是常見冰晶暈里形態(tài)最特殊的一種，其形態(tài)受太陽高度影響極大。太陽高度較低時，它們是分離的V字形光暈，分別居于22°暈的上下兩側(cè)。當太陽高于約35°時，二者連為一體，變成套在22°暈周圍的類橢圓形的暈圈，稱為外接暈。且太陽越高，外接暈就越圓，達到90°時和22°暈完全重合。

外接暈和22°暈同時出現(xiàn)時，其強度通常要高于后者。

「90°晶面」

90°晶面冰晶暈的光路也是類似的。六棱柱形冰晶側(cè)面與底面的夾角為90°，光線從這樣的一個面射入，從另一個面射出，即θw為90°。此時光線的最小偏向角約為46°。

46°暈（46° halo）

46°暈是環(huán)繞于光源周圍的很大的暈圈，由隨機取向的冰晶形成。它的角半徑是22°暈的兩倍有余，因而能夠覆蓋天空中相當廣大的面積。普通的手機或相機鏡頭難以一次拍全。

與22°暈相比，46°暈要罕見許多。由于能夠通過46°暈光路的光線被局限于較小的角度和寬度范圍內(nèi)，它注定較為暗弱。同時，由于其所在的天空范圍很大，它也更加難以被注意到。

環(huán)天頂?。╟ircumzenithal arc, CZA）

環(huán)天頂弧表現(xiàn)為凸向光源、環(huán)繞天頂?shù)牟噬饣?。它不算罕見，留心觀察每年都可以看到幾次。

環(huán)天頂弧屬于46°plate弧，它通常由plate取向的片晶形成。光線從冰晶的上底面射入，經(jīng)折射從一個側(cè)面射出。

環(huán)天頂弧的色散程度很高，色彩十分鮮艷。中國古代稱其為“日承”。所謂“倒掛彩虹”“微笑彩虹”“天空的微笑”等俗稱指的都是環(huán)天頂弧。

隨太陽升高，環(huán)天頂弧的半徑逐漸減小。它只能在太陽低于32°時出現(xiàn)。

環(huán)地平?。╟ircumhorizontal arc, CHA）

環(huán)地平弧是略凹向光源、出現(xiàn)于地平線附近的彩色光弧。它十分寬大，如果完整地出現(xiàn)會非常壯觀。

環(huán)地平弧的色散程度也很高，中國古代稱其為“日載”。它也有“火彩虹”等俗稱。

環(huán)地平弧屬于46°plate弧。它通常由plate取向的片晶形成。光線從冰晶的一個側(cè)面射入，經(jīng)折射從下底面射出。

環(huán)地平弧只能在太陽高于58°時出現(xiàn)。因此高緯度地區(qū)較難觀測到環(huán)地平弧。

上/下側(cè)弧（supralateral / infralateral arc）

上/下側(cè)弧是46°column弧，表現(xiàn)為太陽上部、兩側(cè)或下部的彩弧。它們的色散程度高，色彩非常鮮艷，常被誤認為彩虹。

太陽高度較低時，下側(cè)弧的兩段是分離的，分別居于太陽的左下側(cè)和右下側(cè)。太陽高于約60°時，兩段合為一體。

上側(cè)弧與46°暈有時容易混淆。區(qū)別方法是，46°暈是正圓形，而上側(cè)弧的曲率與其有差別。上側(cè)弧通常比46°暈更為顯眼。

與環(huán)天頂弧類似，太陽高于32°時，上側(cè)弧無法形成。

下側(cè)弧與環(huán)地平弧相切，有時亦難以分辨。二者同時出現(xiàn)時，下側(cè)弧的兩端居于環(huán)地平弧之上。

「其他」

這些冰晶暈的光路中包含反射，實際上并不符合國外所定義的“常見冰晶暈”。但是它們的光路相對簡單，出現(xiàn)頻率也比其他罕見冰晶暈高得多，故放在這里一并介紹。

幻日環(huán)（parhelic circle, PHC）

幻日環(huán)是貫穿太陽、與太陽高度一致的白色圓環(huán)，也就是古代所說的“白虹貫日”。它的大小會隨太陽高度發(fā)生巨大的變化：太陽較低時居于地平線附近，環(huán)繞全天；太陽較高時收縮得很小，甚至可以完全處于22°暈以內(nèi)。

幻日環(huán)主要由plate取向的片晶和column取向的柱晶形成。有許多條光路都可形成幻日環(huán)，主要的光強由其中兩條貢獻：一條是光線僅在冰晶側(cè)面經(jīng)歷一次外反射；另一條是光線經(jīng)歷一次內(nèi)反射。

在幻日環(huán)上還會出現(xiàn)其他的冰晶暈，如120°幻日、Liljequist幻日。

120°幻日（120° parhelia）

120°幻日出現(xiàn)在幻日環(huán)上與光源相距120°的位置，是兩個白色的亮斑。

120°幻日由plate取向的片晶形成。通常的光路是：光線從冰晶的上底面射入，在兩個相鄰的側(cè)面經(jīng)歷兩次內(nèi)反射，再從下底面射出，水平方向的偏轉(zhuǎn)角始終為120°。

當觀察到強烈的22°幻日時，可以留意是否有120°幻日出現(xiàn)。

日柱（sun pillar）

日柱是出現(xiàn)于太陽上側(cè)/下側(cè)的光柱，顏色與日光相同。它通常在日落時，尤其是太陽已落入地平線以下時最為明顯。

最常見的一種日柱是plate日柱，它由片晶形成。光線在冰晶底面經(jīng)歷一次外反射，或從側(cè)面射入，在底面經(jīng)歷一次內(nèi)反射后射出。

與其他冰晶暈不同，日柱的形成對冰晶取向沒有十分嚴苛的要求，甚至雪花也可以形成日柱。

此外，column取向和Lowitz取向的冰晶也能夠形成日柱。

類似地，在寒冷地區(qū)的夜晚，若近地面的空氣中懸浮有大量的冰晶，人造光源也可以形成光柱（light pillar），非常壯觀。我國內(nèi)蒙古、東北地區(qū)的冬季時常會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。

映日（subsun）

映日是一種出現(xiàn)于地平線以下（當光源在地平線以上時）的冰晶暈，因此要想觀測到映日，最佳的地點是飛機上或高山地區(qū)。

映日出現(xiàn)于太陽的正下方，與太陽到地平線的距離相等，是一個明亮的光斑。大多數(shù)情況下，它在垂直方向上趨向于伸長。

映日由plate取向的冰晶形成，光線在冰晶上表面經(jīng)歷一次外反射，或從一個側(cè)面射入，在下表面經(jīng)歷一次內(nèi)反射后從另一側(cè)面射出。