天空生成中…
模拟的天空：光环、彩弧及其颜色是计算出来的；云和山是画上去的。
这个浏览器无法绘制实时天空，因此显示一张静态图片。
1
每一圈光环，都始于一颗六角形冰晶#
高而薄的卷云由冰组成。其中一部分冰晶是干净的六角棱柱：扁平的片状，或者较长的柱状，形状就像去掉了枝杈的雪花。
阳光从棱柱的一个侧面射入，再从与入射面相隔一个侧面的另一个侧面射出，相当于穿过一个60°的冰楔。在这片天空里，数以百万计的冰晶朝各个方向翻滚，合起来画出一圈光环。
2
为什么光环是22度#
黄光穿过60°的冰楔时，偏折角不会小于21.8°。朝向不同的冰晶会让光偏折得更多，但偏折后的光恰好在这个角度外侧最密集，角度以内则一点也没有。
所以光环的内缘很清晰，环内的天空看上去更暗。这个角度只取决于一个实测的物理量，即冰的折射率：对黄光是1.3097。伸直手臂、张开手掌，从拇指尖到小指尖大约是25°，比光环的半径稍大一点。
3
内红外青：1400年前的记载#
冰对红光的折射比对蓝光略弱：红色边缘在21.7°，蓝色边缘在22.3°。所以光环的内缘是红色的，再往外，各种颜色互相重叠，混成白色。大多数日晕看起来淡淡的，内缘带一点红。
唐太宗时（640年代）官修的《晋书》，用十二个字就把它说清楚了：“日旁有氣，員而周匝，內赤外青”，意思是太阳旁有一圈云气，圆而闭合，里面红，外面青（“員”同“圓”，“青”指蓝绿色）。书中称之为“暈”，即今天的“晕”，并把它当作征兆：“日暈者，軍營之象”，日晕是军营的形象。
4
幻日：平躺着下落的冰片#
薄薄的片状冰晶下落时，宽大的面几乎保持水平，就像树叶或纸片飘落那样。这时它们的侧面是竖直的，每一片冰晶都把光从侧面送出去，穿过的是同样的60°冰楔。
结果是在太阳两侧、与太阳同样高的地方，各出现一个明亮的光斑：幻日。幻日靠近太阳的一侧是红色的；太阳接近地平线时，幻日正好落在22°光环上。
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冰片一摇晃，幻日就被拉长#
现在冰片开始摇晃：它们典型的倾角从半度增加到12°，然后再回落。每一点倾斜都会把光稍稍送高或送低，于是光斑被拉成短线，再融进光环。
所以，小而清晰的幻日说明冰片下落时几乎保持水平。
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太阳升得越高，幻日离得越远#
太阳升高以后，对斜射进来的光来说，水平的冰片就像一块折射率更高的玻璃棱镜。太阳在地平线上时，幻日距太阳21.8°；太阳高30°时，是24.8°；高50°时，是32.4°。
幻日越往外移就越暗；太阳高于约61°时，任何水平冰片都无法再把光送到那个方向。在这片天空里，太阳循环往复地升起又落下。
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倒挂的彩虹#
光也可以从冰片平坦的顶面射入，再从侧面射出。这条路径穿过的是冰晶上一道90°的棱，光落在头顶高处，形成一道环绕天顶、向太阳一侧弯曲的弧：环天顶弧。
这道弧只有在太阳很低时才会出现。太阳高于约32°时（红光为32.5°，蓝光为31.2°），光到达侧面时角度太斜，会在冰晶内部全反射回去，这道弧就无法形成。90°的棱把颜色分得比60°的冰楔更开，而且所有冰片朝向一致，各色光不会混在一起：22°光环淡白，这道弧却色彩鲜艳。
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环地平弧：网上常被叫作“火彩虹”#
把路径倒过来，从侧面射入、从平坦的底面射出，光就到了天空低处，形成一条与地平线平行的长带，远在太阳下方。这道弧需要太阳很高：红色边缘要求太阳高于57.5°，整条彩带则要求太阳高于58.8°。
在北纬约56°以北，太阳从来升不到这么高（整条彩带的纬度界限则是北纬55°）。北京每年有148天可能出现环地平弧（至少是它的红色边缘），整条彩带有141天，都在春夏两季的正午前后；就连哈尔滨也有114天。香港天文台的一篇文章记述了2017年7月19日和8月10日接近中午时香港上空出现的环地平弧。
网上以“火彩虹”之名流传的照片，拍到的常常是另一种现象：虹彩云。它的柔和色彩通常来自靠近太阳的微小水滴。真正的环地平弧位于太阳下方约两个手掌宽处（伸直手臂、张开手掌来量），水平延伸，红色在上缘。
9
柱状冰晶：与光环相切的弧#
长长的柱状冰晶下落时，长轴保持水平，在水平面内可以指向任何方向。它们产生一道与22°光环顶部相切、像一对翅膀的弧，即上切弧；下方还有一道较淡的弧，太阳低于22°时，它位于地平线以下。
太阳升高时，“翅膀”向下收拢；太阳高于约32°时，两道弧合成一个围绕光环的椭圆。
10
斯德哥尔摩，1535年4月20日#
那天早上，斯德哥尔摩上空布满了光环和幻日，有人为城中的大教堂画下了这一景象。今天挂在那里的，是雅各布·海因里希·埃尔布法斯（Jacob Heinrich Elbfas）1636年画的摹本；原作已经失传。
这里展示的是整片天空，就像你仰面躺着往上看：同一片云里有冰片、冰柱和翻滚的冰晶。画上也有那道穿过太阳、与太阳同高的光环：幻日环。
晕有多常见？#
比大多数人留意到的要常见。在德国及周边地区，德国流星工作组（Arbeitskreis Meteore）的志愿者从1979年起记录晕：1986年以来已录入超过18.5万条，每个光环或每道彩弧单独计数。施瓦岑贝格的沃尔夫冈·欣茨（Wolfgang Hinz）37年间平均每年有111天看到晕；在这个观测网中记录时间最长的哈特穆特·布雷特施奈德（Hartmut Bretschneider），44年间平均每年95天。2022年，英格兰斯托克城的凯文·博伊尔（Kevin Boyle）记下了125个有晕的日子，大约每三天就有一天。
德国气象局林登贝格观象台的一台全天空相机，图像经逐张检查，发现2022年有143个白天或夜晚出现了晕：共239次，其中71次围绕月亮。慕尼黑一台追踪太阳的相机记录了两年多，在它记录的白天时间里，约2%能看到22°晕；在头顶有卷云的时间里，这一比例约为四分之一。作者据此推断，大约每四片卷云中就有一片含有足够多光滑、干净的棱柱，能画出一圈光环。
Atmospheric Optics（大气光学）网站说，晕比彩虹常见得多。但目前找不到能与这些晕的记录相比的彩虹天数统计，所以这个比较还无法用数字来检验。
太阳或月亮周围出现光环，就会下雨吗？#
有时会。晕来自高而薄的卷云，英国气象局指出，这种云常常预示着锋面正在靠近，所以光环可能是下雨的早期迹象。中国民间也有“日晕三更雨，月晕午时风”的说法。但它只是一个提示，不是天气预报。
月光也能形成同样的光环和彩弧，幻日换成了幻月，只是暗得多，所以眼睛几乎看不出其中的颜色。
古代的日晕记录#
《晋书·天文志》（成书于640年代）把一次晕象的各个部分逐一命名，当作征兆来解读，多数与战事有关。除了“暈”，即光环，还有“珥”（本义是耳饰）：“青赤氣員而小，在日左右”，青色和红色的小圆斑，在太阳的左右，正是幻日所在的位置。书中还记有“抱”，“日旁如半環向日”，像半个环、朝向太阳；以及“背”，“青赤氣如月初生，背日者”，像一弯新月、背向太阳。这两者对应今天的哪道彩弧，只是一种解读，并非定论。这是一份详尽的早期记录，但不是最早的：这段文字本身就引用了更古老的《周礼》，而在希腊，亚里士多德在公元前4世纪就写过晕和幻日。
斯德哥尔摩的《Vädersolstavlan》（意为“幻日画”）记录了1535年4月20日的晕象。斯德哥尔摩大教堂（Storkyrkan）里的这幅木板画，是埃尔布法斯1636年的摹本；树木年代学测定表明，木板的年代不早于约1620年，所以它不可能是1535年的原作。1630年1月24日中午前后，克里斯托夫·沙伊纳（Christoph Scheiner）等人在罗马看到了后来被称作“七个太阳”的景象；他画的一幅1629年晕象图在欧洲学者间流传，引发了笛卡尔对晕的思考。
这一页上，哪些是测量的，哪些是选定的？#
测量或计算的
400到700纳米之间每个波长的冰折射率，取自Warren和Brandt（2008）的数据表。光在每颗冰晶中的路径：光线按各个面从太阳方向看去的面积比例选择入射面，然后在每个面上按菲涅耳公式反射或折射，满足条件时发生全反射。颜色：把阳光视为5,778 K的黑体辐射，用CIE 1931配色函数换算，并做白平衡，使太阳本身呈白色。任意地点和时刻的太阳高度：用美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的太阳位置公式计算。
光线追踪的结果，用它必须遵守的公式来检验：22°和46°的最小偏向角，太阳在各个高度时幻日到太阳的距离（布拉维公式），以及环天顶弧和环地平弧开始和消失时的太阳高度。下表对两者做了比较。
选定的
云中有哪些冰晶、它们摇晃得多厉害、冰片的厚度和冰柱的长度：真实云层中的冰晶在种类、摇晃程度和尺寸上各不相同，这里也没有任何测量能说明1535年斯德哥尔摩的天空里有什么。彩弧相对天空的亮度是为屏幕设定的；真实的晕往往更暗。天空的蓝色、卷云和山丘是画上去的。这里假定棱柱光滑、完美；真实的冰晶常常粗糙或中空，这会让彩弧变暗，也是大多数卷云看不到任何彩弧的原因之一。
你所在地点的时间窗口从何而来
当太阳所处的高度能让冰晶至少产生某道彩弧的红色边缘时，就说这道弧“可能出现”：环天顶弧要求太阳低于32.5°，幻日低于60.9°，环地平弧高于57.5°。在前两者中，红光是最后消失的颜色；在第三者中，红光是最先出现的颜色。上表用的是黄光，所以高度略有不同。彩弧究竟会不会出现，取决于天上有没有含合适冰晶的薄冰云，这是本页无法知道的。天数按2026年计算，用的是太阳的几何高度，不考虑大气折射；大气折射最多只会让第一天和最后一天各移动一天。
| 物理量 | 公式 | 本页追踪结果 |
|---|---|---|
| 60°冰楔的最小偏向角 | 21.8° | 21.8° |
| 90°冰楔的最小偏向角 | 45.7° | 45.6° |
| 太阳高10°时，幻日到太阳的距离 | 22.1° | 22.0° |
| 太阳高30°时，幻日到太阳的距离 | 24.8° | 24.6° |
| 太阳高50°时，幻日到太阳的距离 | 32.4° | 32.1° |
| 出现幻日的最高太阳高度 | 60.8° | 60.7° |
| 出现环天顶弧的最高太阳高度 | 32.2° | 32.3° |
| 出现环地平弧的最低太阳高度 | 57.8° | 57.8° |
资料来源#
- Warren, S. G. & Brandt, R. E. (2008). Optical constants of ice from the ultraviolet to the microwave: a revised compilation. Journal of Geophysical Research 113, D14220. 数据表
- Hinz, C. & Hinz, W. (2023). Halos 2022 – Jahresübersicht. Meteoros 26 (3), Arbeitskreis Meteore. PDF
- Forster, L., Seefeldner, M., Wiegner, M. & Mayer, B. (2017). Ice crystal characterization in cirrus clouds: a sun-tracking camera system and automated detection algorithm for halo displays. Atmospheric Measurement Techniques 10, 2499–2516. 论文
- Sassen, K., Zhu, J. & Benson, S. (2003). Midlatitude cirrus cloud climatology from the Facility for Atmospheric Remote Sensing. IV. Optical displays. Applied Optics 42, 332–341. doi:10.1364/AO.42.000332
- 《晋书》卷十二，天文志中，十煇。 维基文库原文
- Vädersolstavlan, Storkyrkan, Stockholm：雅各布·海因里希·埃尔布法斯1636年的摹本（维基共享资源上的文件把失传的原作归于Urban målare，这是一种传统的、存疑的说法）。 Wikimedia Commons, 公有领域。
- Royal Meteorological Society, Haloes and sun dogs. rmets.org
- Met Office, Optical effects. metoffice.gov.uk
- World Meteorological Organization, International Cloud Atlas: tangent arcs. cloudatlas.wmo.int
- 香港天文台，龚颖恒：《环地平弧》（2017年8月）。 hko.gov.hk
- EarthSky, Iridescent cloud or circumhorizon arc? How to tell the difference (with Les Cowley). earthsky.org
- Atmospheric Optics, Frequent halos. atoptics.co.uk
- Vädersolstavlan, Wikipedia (date of the display, the 1636 copy by Elbfas, the dendrochronology of 1998–1999; the Stockholm city museum record gives the copy as probably 1636). en.wikipedia.org
- Scientific American, The Seven Suns of Rome (Scheiner, 1629–1630). scientificamerican.com
- 亚里士多德，《气象学》第三卷第2–6部分（晕与幻日），E. W. Webster英译。 classics.mit.edu
- NASA夜空网络：伸直手臂、张开手掌，从拇指到小指约25°。 nightsky.jpl.nasa.gov
- GeoNames，人口超过15,000的城市及其中文名（CC BY 4.0）。 geonames.org
- NOAA全球监测实验室，太阳位置计算说明。 gml.noaa.gov
- 杭州网：日晕三更雨 今起有阵雨（2016年5月5日；文中称“日晕三更雨，月晕午时风”为气象谚语）。 hznews.hangzhou.com.cn
