【大气光学】罕见冰晕介绍

冰晶晕（ice crystal halos），亦称大气晕族（atmospheric halos）或冰晕（ice halos），是一类由大气中的冰晶折射和反射光线所形成的光学现象，表现为天空中出现的白色/彩色的光环、光斑和光弧。与虹、华等其他大气光学现象相比，冰晶晕的种类更为多样，形态也更为丰富，具备更高的观赏性。研究冰晶晕，对了解大气各项物理特性，如温度和运动模式等有很大帮助。

本人在上一篇文章中介绍了一些常见的冰晶晕，但这远不是全部的冰晶晕种类。有更多罕见冰晶晕的形态更为特别，也更为壮观。甚至有一些种类，人类直至今日也没能完全阐明其形成机制。尽管罕见，但这些冰晶晕中的许多种类在我国都不乏观测记录。所以只要留心观察，或许某一天奇迹就会在你眼前发生。

我愿意把冰晶晕称之为“天空的万花筒”。大气运动变幻莫测，总有一些瞬间它会向人们展现其美丽动人的一面。希望能通过本文的介绍，让你眼中的世界变得更有趣一点。

囿于本人水平，文中可能出现疏漏或错误之处。望各位不吝批评指正。

在上一篇文章中我们提到，除了random、plate和column三种常见的取向，冰晶还存在两种罕见取向——Parry取向和Lowitz取向。

「Parry取向」

这一取向的名称来源于19世纪英国的极地探险家、海军少将William Edward Parry（1790-1855）。Parry一生最为出名的成就是他对西北航道的探索。

图1 W. E. Parry

1820年4月8日，Parry在加拿大北极地区的Melville岛附近冰封的海面上观测到了一次冰晶晕，并为其绘制了简图。从图中我们可以看到，在上切弧的上方还存在着一条光弧，这是先前未曾记录过的。后人经过研究发现，形成这条弧的冰晶取向不同于之前所讲的三种常见取向，遂将其命名为Parry取向。

图2 Parry绘制的简图

Parry取向要求六棱柱冰晶的c轴保持水平，与column取向不同的是，同时还要有一个侧面也保持水平，如下图所示。

图3 Parry取向

「60°晶面」

与前文所述一样，光线从冰晶的一个侧面射入，经折射从相间的侧面射出，因此所形成的冰晶晕称为22°Parry弧。

图4 四种Parry弧的光路 22°Parry弧分为四种，习惯上按其位置和弯曲方向分别称为上凸（upper sunvex）、上凹（upper suncave）、下凸（lower sunvex）、下凹（lower suncave）Parry弧。注意这里的“凹凸”是相对太阳而言的，也就是凸向太阳时称作“凸”，凹向太阳时称作“凹”。

图5 上凹Parry弧

图6 上凸和上凹Parry弧同时出现

图7 下凸Parry弧 四种Parry弧里最为常见的大概是上凹Parry弧，也就是当年Parry画下的那一种。最罕见的是下凹Parry弧。 Parry弧的形态随太阳高度的变化而变化。高太阳角下的Parry弧更为罕见，世界范围内的照片记录也寥寥无几。

图8 上凹Parry弧的形态随太阳高度的变化。模拟程序：HaloPoint

图9 上凸Parry弧的形态随太阳高度的变化。模拟程序：HaloPoint

图10 下凹Parry弧的形态随太阳高度的变化。模拟程序：HaloPoint

图11 下凸Parry弧的形态随太阳高度的变化。模拟程序：HaloPoint

「90°晶面」

光线通过六棱柱冰晶的两个相互垂直的面时，所形成的冰晶晕可以叫做46°Parry弧或者Parry上/下侧弧。不过，我们更习惯使用的是它们的另一个名字——Tape弧（Tape arcs）。顾名思义，这里的Tape指的是 磁带 冰晶晕研究领域的专家之一，阿拉斯加大学的数学系教授Walter Tape。

图12 上/下Tape弧的光路

图13 上Tape弧

图14 下Tape弧 与上/下侧弧相比，Tape弧要不起眼得多。如果冰晶的取向不佳，你可能会看到上/下侧弧上的某个位置出现亮度的增强，这就是Tape弧。当取向很好时，就可以看到它们的真容——勾形的光弧。出现在上/下侧弧上的Tape弧，分别叫做上Tape弧和下Tape弧。

图15 上Tape弧的形态随太阳高度的变化。模拟程序：HaloPoint

图16 下Tape弧的形态随太阳高度的变化。模拟程序：HaloPoint 此外，当上/下Tape弧的光路逆过来，还可以形成一组Tape弧，称为次上/次下（upper/lower secondary）Tape弧。次上Tape弧只有当光源低于地平线时才会出现，而次下Tape弧总是出现于地平线以下。这导致它们很难被观测到。

图17 次上Tape弧的形态随太阳高度的变化。模拟程序：HaloPoint

图18 次下Tape弧的形态随太阳高度的变化。模拟程序：HaloPoint 「Lowitz取向」

这一取向的名称来源于18世纪的俄国博物学家Tobias Lowitz（1757-1804）。1790年6月18日上午，在俄国圣彼得堡，他目睹了一次极为壮观的组合冰晶晕，并留下了绘图。这次冰晶晕被后人称作“圣彼得堡晕景”（St. Petersburg Display）。

图19 Lowitz绘制的简图 在他的绘图中，我们可以看到22°幻日的下部有一对奇怪的光弧。后人经过研究发现，要想形成这种冰晶晕，冰晶就要拥有另一种奇怪的取向。目前大多数学者认为它是这样的：晶体的一根a轴需要保持水平，同时晶体还要围绕它作往复的剧烈摆动和旋转，如下图所示。这种取向不太符合人们所知的空气动力学原理，但它的确存在。这就是Lowitz取向。它比Parry取向还要罕见得多。

图20 Lowitz取向 「60°晶面」

60°晶面所形成的冰晶晕是22°Lowitz弧，它分为三种：上Lowitz弧、中Lowitz弧（也叫环形Lowitz弧）和下Lowitz弧。Lowitz所绘制的应为下Lowitz弧。

图21 Lowitz弧的光路（俯视）。A为上Lowitz弧，B为下Lowitz弧，C为中Lowitz弧。

图22 1为上Lowitz弧，2为下Lowitz弧，3为中Lowitz弧 实际情况下，Lowitz弧通常不甚明显。如果怀疑有Lowitz弧的存在，应着力观察22°幻日的附近是否有延伸出来的光弧。

图23 上Lowitz弧的形态随太阳高度的变化。模拟程序：HaloPoint

图24 中Lowitz弧的形态随太阳高度的变化。模拟程序：HaloPoint

图25 下Lowitz弧的形态随太阳高度的变化。模拟程序：HaloPoint 「90°晶面」

90°晶面所形成的冰晶晕是46°Lowitz弧，或者叫做46°接触弧（46° contact arcs）。这种弧在实际情况下通常极为暗弱，比22°Lowitz弧还要罕见得多，直到2006年人类才首次拍摄到其照片。但它的存在早已被理论所预见。美国著名气象学家Robert Greenler在其1980年出版的《虹·晕·宝光》（Rainbows, Halos, and Glories）一书中即对它有专门论述。 下图是46°Lowitz弧的光路。图中每个数字都对应着一对光弧。

图26 46°Lowitz弧的光路

图27 46°Lowitz弧为数不多的几张照片之一

图28 46°Lowitz弧。注意图中还有高品相的上Lowitz弧

图29 46°Lowitz弧的形态随太阳高度的变化。模拟程序：HaloPoint Parry取向和Lowitz取向所形成的冰晶晕不止以上这些。若光路中包含反射，会形成更多种类的冰晶晕。 「与太阳有关的四个点&与其相关的冰晶晕」

研究冰晶晕时，我们需要用到天球这一模型。这里的天球是以观察者的眼为球心的，而太阳则在球面上运动。 天球上存在四个与太阳有关的点，分别是： 太阳所在的点（helic point）：太阳所处的位置。 反日点（anthelic point）：和太阳处于同一高度，位于其对侧的点。 下日点（subhelic point）：和太阳关于地平线对称的点。 对日点（subanthelic point或antisolar point）：和反日点关于地平线对称的点。

图30 天球 偕日弧（helic arc）

偕日弧的形态很有趣：太阳较低时，它穿过太阳并在其上方绕一圈，好像打了个结一般。随太阳升高，这个结逐渐变小，直至偕日弧脱离太阳。

图31 偕日弧的形态随太阳高度的变化。模拟程序：HaloPoint 偕日弧一般非常暗弱，自然状态下肉眼可见的偕日弧比较少见。

图32 暗弱的偕日弧 偕日弧通常由Parry取向的冰晶形成。它的光路有多条，最简单的一条是光线仅在冰晶的一个侧面经历一次外反射。

图33 偕日弧的光路

下日弧（subhelic arc）

也叫做映偕日弧。它穿过下日点并倾斜于地平线环绕天空一圈。下日弧由column取向的冰晶形成，光路是：光线从一个底面射入，在侧面经历两次内反射后从另一个底面射出。

图34 下日弧的光路

图35 下日弧

图36 下日弧的形态随太阳高度的变化。模拟程序：HaloPoint 这种弧在上世纪早期曾被认为过于暗弱以致不可见，但后来人们先后在南极和其他许多地方记录到了它的存在。 反日弧（anthelic arcs）

目前为止，人们共发现了五种反日弧。

Wegener反日弧：

此弧以德国气象学家A. L. Wegener（1880-1930）命名（对，就是提出大陆漂移学说的那个Wegener，他对冰晶晕也颇有研究）。这是反日弧中最常见的一种，由column取向的冰晶形成。

图37 Wegener反日弧

图38 Wegener反日弧光路

图39 Wegener反日弧的形态随太阳高度的变化。模拟程序：HaloPoint

Hastings反日弧：

此弧以20世纪上半叶的学者C. S. Hastings命名。它的光路与Wegener反日弧一致，只不过形成它的冰晶为Parry取向而非column取向。

图40 Hastings反日弧

图41 Hastings反日弧的光路

图42 Hastings反日弧的形态随太阳高度的变化。模拟程序：HaloPoint 由于光路相似，Hastings反日弧和Wegener反日弧的形态也很相像。不同的是，Hastings反日弧与Parry弧相切。 Tricker反日弧：

此弧以20世纪下半叶的学者R. A. R. Tricker命名。它的光路十分复杂，光线在冰晶内表面经历多次反射，好像万花筒一般，故得名“Tricker万花筒式光路机制”。它的形态也很特别，像是在反日点打了一个小结。

图43 Tricker反日弧的形态随太阳高度的变化。模拟程序：HaloPoint

图44 Tricker反日弧的两条光路 Tricker反日弧非常罕见，目前我国的记录不超过5笔。它通常在大规模的组合冰晶晕中出现。 此外，Tricker反日弧始终与下日弧相切。

图45 2018年内蒙古海拉尔的组合冰晶晕中，Tricker反日弧清晰可见 Greenler弥散反日弧和Tränkle弥散反日弧：

1984年，R. Greenler和E. Tränkle在Nature上发表了一篇论文。他们通过计算机模拟识别出了两种新的弥散反日弧（diffuse anthelic arcs），并从以往的照片记录中确认了它们的存在。原文中这两种反日弧被简单地称为Diffuse-A和Diffuse-B，后来人们就将它们叫做Greenler弥散反日弧和Tränkle弥散反日弧。

图46 两种弥散反日弧的形态随太阳高度的变化。模拟程序：HaloPoint

图47 Tricker、Greenler、Tränkle三种反日弧同时出现的情形

图48 Greenler弥散反日弧（上）和Tränkle弥散反日弧（下）的光路 这两种反日弧通常一同出现，比较难以分别。 对日弧（subanthelic arc / antisolar arc）

对日弧是穿过对日点的光弧。它的光路也比较复杂，如下图所示。

图49 对日弧的两条光路 对日弧在自然状态下常见于极地和高纬度地区的钻石尘中，在世界其他地方的记录很少。

图50 反日点附近的多种冰晶晕 对日弧始终与偕日弧相切。

图51 对日弧的形态随太阳高度的变化。模拟程序：HaloPoint 「其他种类」

Liljequist幻日（Liljequist parhelia）

这种冰晶晕以瑞典气象学家G. H. Liljequist（1914-1995）命名。他于1951年首次记述了这一现象。

图52 Liljequist绘制的简图 Liljequist幻日表现为幻日环上靠近反日点处，两个较宽的亮度增强区域。它的主要光路是：光线从plate取向冰晶的一个侧面射入，经历三次内反射后再从同一个面射出。

图53 Liljequist幻日的光路（俯视）

图54 Liljequist幻日的形态随太阳高度的变化。模拟程序：HaloPoint Liljequist幻日只能在太阳低于32°时出现。

蓝环/幻日环蓝斑（blue circle / blue spot）

蓝环是一个以对日点为中心、角半径约为64°的晕圈。它由random取向的冰晶形成，光路如下图，其中包含一次全反射。它由于临界角效应而呈现出蓝色。

图55 蓝环的光路

图56 蓝环的形态随太阳高度的变化。模拟程序：HaloPoint 当太阳低于32°时，蓝环会与幻日环相交。通常，蓝环的大部分在强烈的阳光下近乎不可见，但其与幻日环相交的部分会将幻日环染成明显的蓝色，从而得以用肉眼看到，这就是所谓的幻日环蓝斑。 蓝斑也可以由plate和column取向的冰晶按照以上光路形成。

图57 幻日环蓝斑

Kern弧（Kern arc）

1895年，一个名叫H. F. A. Kern的荷兰人，声称他看到了一种奇观：环天顶弧延长为一个完整的圆环。自那以后，至少又有六起类似的目击报告，其中最著名的莫过于1970年12月3日发生于加拿大萨斯卡通的一次冰晶晕——萨斯卡通晕景（Saskatoon Display）。

图58 萨斯卡通晕景的简图，b为迄今为止唯一一次记录到的66°幻日，k为Kern弧 1971年，我们在前面提到过的R. A. R. Tricker等人，提出了Kern弧的形成理论。它可以由plate取向的片晶所形成，但特别的是，冰晶越厚、形态越接近于三棱柱，就越有利于Kern弧的形成。

图59 Kern弧的光路 2007年，芬兰冰晕专家Marko Mikkilä终于拍到了第一张Kern弧的照片，结束了长达百余年的争论，证实了它的存在。

图60 首张Kern弧的照片 理论上，环地平弧也会有它的Kern弧，但其形成条件过于苛刻，目前还缺乏照片记录。

「锥晶晕族」

我们在前面提到过，大气中除了片晶和柱晶之外，还存在一类罕见的冰晶——锥晶。与片晶和柱晶相比，锥晶拥有更多的晶面（最多可以有20个）。 光线以不同的光路通过锥晶时会出现不同的

θw

值，进而产生不同的最小偏向角，从而形成与前文所述冰晶晕相异的晕象。正因如此，锥晶晕还有另一个名字——异径晕（odd radius halos）。 历史上，人们对锥晶的晶面夹角进行了艰辛的探索，最终得出结论：

锥晶锥面的Miller指数属于{1 0 -1 1}型，锥面与晶体c轴的夹角约为28°

。这样，锥晶各面之间的夹角也就唯一确定。我们按照下图将锥晶的晶面编号，这样，光路就可以用一列有序的数来表示了。

图61 锥晶的晶面编号 光线通过锥晶时可以有六种不同于常见晕的光路，相关的θw和对应最小偏向角δmin的值如下表所示（计算中取n=1.309）。

表1 锥晶晕族的光路和最小偏向角 按照冰晶取向，锥晶晕族可以分为： 锥晶晕圈：random取向的锥晶形成的冰晶晕，分为9°晕、18°晕、20°晕、23°晕、24°晕、35°晕六种。 锥晶幻日：plate取向的锥晶形成的冰晶晕（即锥晶plate弧），分为9°幻日、18°幻日、20°幻日、23°幻日、24°幻日、35°幻日六种。

图62 太阳高度为20°时，锥晶幻日的理论形态 锥晶切弧：column取向的锥晶形成的冰晶晕（即锥晶column弧），分为9°切弧、18°切弧、20°切弧、24°切弧、35°切弧五种（23°切弧理论上存在但过于暗弱）。

图63 太阳高度为20°时，锥晶切弧的理论形态 锥晶晕是一类较为罕见的冰晶晕。哪怕是上世纪70年代时，仍有一些学者对其存在持怀疑态度。随着后来照相技术的进一步普及，人们得以记录到更多锥晶晕的影像资料。欧美学者基于长期统计，认为锥晶晕的一些组合年均发生率只有百分之几。然而近年来，中国南方地区每年夏季都能记录到数目可观的锥晶晕，这颠覆了学界的常识。这种现象可能与南方地区特有的大气环境有一定关联，尚需进一步研究。

图64 锥晶晕圈

图65 高品相的锥晶晕圈 另外，锥晶还可以形成一种与普通的偕日弧形态有区别的

锥晶偕日弧

。

图66 月锥晶晕，注意其中的锥晶偕日弧。

「未解冰晶晕」

以上所述的都是光路和冰晶形态已知的冰晶晕。但是还存在许多冰晶晕，直至今日学界也未能确凿地阐明其形成机理。 Lascar晕族

1997年11月，Marko Riikonen、Leena Virta和Daniel Sullivan等人来到南美洲智利中部的Lascar火山登山。11月27日下午4时20分许，他们发现天空中出现了冰晶晕，它一直持续到了日落时分。次日上午，类似的晕景再一次出现，直至午后1时渐渐变淡消失。 Riikonen等人共拍摄了一百余张冰晶晕的照片。经过分析，他们发现这次的晕景中除了常见的种类，还存在许多未曾记录过的晕种和极为罕见的晕种，包括28°晕、28°弧、19°弧、13°弧等。

图67 一张Lascar晕族的照片。右面两幅图经过了特殊处理 2000年，Riikonen和Moilanen等人发表论文（Halo observations provide evidence of airborne cubic ice in the Earth's atmosphere），认为Lascar晕族的特殊晕种是由立方八面体冰晶（简称立方晶）所形成。这种立方晶系的冰晶属于亚稳态，在实验室里可在180K左右的低温下形成，但人们尚未找到它在自然界的大气中存在的直接证据。

图68 Riikonen等人模拟所用的冰晶。上为立方晶，下为普通锥晶 2011年，当时还不满30岁的法国学者Nicolas Lefaudeux在自己的一篇论文（Crystals of hexagonal ice with Miller index (2 0 -2 3) faces explain exotic arcs in the Lascar halo display）中提出了另一种理论。为了模拟特殊晕种，他大胆设想大气中存在一类异形六棱锥晶（exotic pyramid），这种锥晶的锥面Miller指数不是{1 0 -1 1}，而是{2 0 -2 3}。

图69 N. Lefaudeux，法国学者、天文摄影师，研究方向主要为光学相关技术

图70 Lefaudeux模拟所用的冰晶。Ⅰ和Ⅱ为普通锥晶，Ⅲ为一侧锥面为{1 0 -1 1}而另一侧为{2 0 -2 3}的混晶，Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ为纯粹的异晶 这两种理论均能大致模拟出当时的实景，但论文作者也承认，他们的模拟都存在细节上的不符之处。而这两种特殊冰晶是否真的在大气中存在也仍然是个未解之谜。甚至还有其他人认为，形成Lascar晕族的可能不是水冰。此外，近年来在中国数次发现的所谓“28°幻日”，更给这一现象披上了一层神秘的面纱。关于Lascar晕族的故事，还远没有到讲完的时候……

椭圆晕（elliptical halo）和Bottlinger环（Bottlinger's ring）

椭圆晕是环绕在光源周围的椭圆形晕圈。它的长轴垂直，角半径只有几度，可能会分为多层，且上下不一定对称。光源高度越大，它就越趋于圆形。椭圆晕的出现时间很短，一般只有几分钟。

图71 低角度下的椭圆月晕

图72 另一个椭圆晕

图73 飞机上拍到的高品相Bottlinger环 由于椭圆晕离光源很近，它很容易被淹没在太阳的强光里，所以拍摄到的椭圆晕以月晕居多。 与椭圆晕类似，也会有椭圆形晕圈出现在映日（subsun）周围，被称为Bottlinger环。1909年，C. F. Bottlinger在德国哥廷根进行热气球飞行时首次目睹了这一现象。 目前学界的普遍看法是，形成它们的是一类顶角极大的锥晶。这种锥晶曾在椭圆晕出现时被收集到过。

图74 推测形成椭圆晕的冰晶，以及使用这类冰晶做出的模拟 然而，这样的模拟时常与照片不符，加之缺乏直接的证据证明这种冰晶的大量存在，这两种椭圆形晕圈仍然算作未解之谜。

Moilanen弧（Moilanen arc / M-arc）、Sievi 22°弧（Sievi 22° arc）和Sievi偕日弧（Sievi helic arc）

Moilanen弧是一条出现在光源上方、呈V字形的晕弧。光源位于地平线时，它与光源的距离为11°，这一距离随光源升高而增大。代入最小偏向角公式可得冰晶的

θw

为34°，但是这样的冰晶并不符合结晶学规律也从未被拍到过。

图75 Moilanen弧 目前学界通常用粘合“双晶”（twinned crystal）来解释Moilanen弧。 此外，这种冰晶还可以顺带解释其他的未解晕弧，比如形态奇特的Sievi 22°弧和Sievi偕日弧等。

图76 Moilanen双晶以及使用它做出的模拟

图77 Sievi 22°弧的形态随光源高度的变化。模拟程序：HaloPoint

图78 Sievi偕日弧的形态随光源高度的变化。模拟程序：HaloPoint 滑雪场的造雪机可以产生大量的粘合冰晶，这或许正是Moilanen弧频繁出现于滑雪场的原因。但是天然的Moilanen弧也同样存在。大自然又给人类留下了一个谜团。 参考文献： [1] R. Greenler. Rainbows, Halos, and Glories. Cambridge University Press, 1980 [2] W. Tape. Atmospheric Halos, American Geophysical Union, 1994 [3] W. Tape & J. Moilanen. Atmospheric Halos and the Search for Angle X. American Geophysical Union, 2006 [4] M. Pekkola, M. Sillanpää & J. Ruoskanen. Valkean taivaan vieraat. URSA, 1998 [5] W. Tape. Streetlight Halos. 2010 [6] E. Tränkle & R. Greenler. Multiple-scattering effects in halo phenomena. Journal of Optical Society of America, 4(3):591-599, 1987 [7] J. Moilanen. New halo in northern Finland. Weather, 53(8):241-244, 1998. [8] F. Pattloch & E. Tränkle. Monte Carlo simulation and analysis of halo phenomena. Journal of Optical Society of America, 1(5):520-526, 1984 [9] M. Riikonen, M. Sillanpää, L. Virta, D. Sullivan, J. Moilanen & I. Luukkonen. Halo observations provide evidence of airborne cubic ice in the Earth's atmosphere. Applied Optics, 39(33):6080-6085, 2000 [10] N. Lefaudeux. Crystals of hexagonal ice with (2 0 -2 3) Miller index faces explain exotic arcs in the Lascar halo display. Applied Optics, 50(28):121-128, 2011 [11] M. Sillanpää, J. Moilanen, M. Pekkola, M. Penttinen & J. Piikki. Unusual pyramidal ice in the atmosphere as the origin of elliptical halos. Applied Optics, 38(24):5089-5095, 1999 [12] W. Tape. Analytic foundations of halo theory. Journal of Optical Society of America, 70(10):1175-1192, 1980 [13] W. Tape & G. P. Können. A general setting for halo theory. Applied Optics, 38(9):1552-1625, 1999 [14] R. A. R. Tricker. Arcs associated with halos of unusual radii. Journal of the Optical Society of America, 69(8):1093-1100, 1979 [15] R. Greenler & E. Tränkle. Anthelic arcs from airborne ice crystals. Nature, 311:339-343, 1984 [16] M. Sillanpää, J. Moilanen, M. Riikonen & M. Pekkola. Blue spot on the parhelic circle. Applied Optics, 40(35):5275-5279, 2001 [17] M. Selmke & S. Selmke. Complex artificial halos for the classroom. American Journal of Physics, 84(7):561-564, 2017 参考网站： [1]www.atoptics.co.uk [2]www.meteoros.de [3]www.thehalovault.org [4]www.taivaanvahti.fi [5]www.ursa.fi [6]www.haloblog.net [7]atoptics.wordpress.com [8]submoon.wordpress.com