“三個太陽”背后的光學(xué)“魔術(shù)”
發(fā)布時間：2025-01-10 10:26:52 | 來源：【《北京日報》 2024年12月18日 雷淼】
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近日，北京的天空中出現(xiàn)一個罕見的自然現(xiàn)象：太陽的左右兩側(cè)各有一個明亮的光斑，看起來就像是3個太陽同時掛在空中。這一奇觀其實是個光學(xué)“魔術(shù)”，正式名稱為“幻日”，是大氣中懸浮的冰晶對陽光折射之后產(chǎn)生的一種冰晶暈。
冰晶的尺寸從幾十微米到幾百微米不等，人們用肉眼根本看不見。大部分冰晶為六棱柱形，共有8個面，其中兩個底面平行，6個側(cè)面圍成正六邊形。雖然都叫作六棱柱形，但有的六棱柱形冰晶名副其實，有的則看起來扁扁的，與其說是柱，還不如說是把柱切成了片。
當(dāng)冰晶在空氣中下落時，會傾向于采取阻力最大的姿態(tài)使自己的降速最慢。如果其六棱柱形是個明顯的柱，就會橫臥在空中，而如果是個片，則會“用臉兜風(fēng)”。所以，當(dāng)氣流穩(wěn)定時，冰晶片會緩緩下落，其兩個底面基本上都與大地平行，那種景象就像是完成表演之后正在收隊的無人機(jī)群。在這種情況下，幻日的出現(xiàn)就有了必要條件：通過陽光照射的冰晶須得保持姿態(tài)基本一致。
陽光照射時，從一個側(cè)面鉆進(jìn)冰晶，又從夾角60°的另一個側(cè)面鉆出來。在這個過程中，陽光會經(jīng)過兩次折射：進(jìn)去一次、出來一次。經(jīng)過光學(xué)計算可知，這一進(jìn)一出，總共會使陽光偏折22°左右。由于冰晶的姿態(tài)基本平行于地面，且片狀冰晶的側(cè)面相當(dāng)狹窄，因此這種側(cè)面進(jìn)、側(cè)面出的折射模式對陽光照射角度的要求比較苛刻，只發(fā)生在人們望向太陽方向的一道薄薄的水平面上（否則光線就進(jìn)入不了人的眼睛）。最終呈現(xiàn)的效果是，在太陽左右兩側(cè)各22°的方向，人們看到被冰晶折射過來的陽光最為集中顯著，這時兩個假太陽就出現(xiàn)了，如同一場光學(xué)“魔術(shù)”，貢獻(xiàn)了3個太陽的幻日奇觀。
