2013年7月2日

浴冰晶的火彩虹

 作者/曾耀寰(任職中研院天文所)

前些時候,網路電子報刊載日本福島川內村上空出現直線彩虹的特殊光學現象,該新聞是取自日本讀賣新聞,譯之為環水平弧(環水平アーク),另外在網路搜尋,也有羅東上空拍攝到類似景象〔註〕,這兩個罕見現象俗稱火彩虹(fire rainbow),正式名稱為環地平弧(circumhorizon arc)。火彩虹看起來像是一般彩虹的模樣,由紅到藍紫色,從上向下水平排列,由於彩色明顯、鮮豔,甚是好看,而且火彩虹大多印照在雲彩上,除了光線的色彩變化,再加上各種形狀和層次的雲,實在是難得一見的美景。

攝於美國密西根州。(圖片來源:維基百科)
火彩虹一詞讓人聯想到彩虹,也是大自然的傑作之一。彩虹的原理在課本都會提到,是太陽光照射大氣內的小雨滴,經由兩次折射和一次反射而形成,而光的色散特性,使得各種不同波長的色光分散開來,形成彩虹。根據折射和反射的原理,背對著太陽,會看到一個圓圈狀的彩虹(短波長的藍色在內圈,長波長的紅色在外圈),礙於地平面的遮擋,只能看到部份圓弧狀的彩虹,因此在早上和黃昏時分,太陽的高度接近地平面,可以看到較明顯的彩虹。如果太陽光經過水滴有兩次折射和兩次反射,同樣會有七彩的分布,稱為霓(secondary bow),只不過色散的順序和彩虹相反(短波長的藍色在外圈),並且因為多了一次反射,霓的亮度較暗。

但火彩虹不是彩虹,形狀有點像七彩的火焰,屬大氣的光學現象,是大氣中的冰晶造成的,不似彩虹靠水滴而有之。在高空(高度6000公尺以上)的卷雲中,因低溫而多以結晶狀的小冰塊存在。所謂冰晶就是像水晶般的結構,大氣中常見的冰晶是六角面,可能是平板狀的六角面,或柱體狀的六角面(圖一),雖然二者的六角面大小不同,但面與面之間的夾角都是一樣,因此受到太陽光照射後,會產生各種形式的光暈(halo)。
圖一:大氣中常見的冰晶包含六角平板冰晶(上)和六角柱狀冰晶(下)。
(作者提供)

這些冰晶漂浮在大氣中,通常會有一致的排列方向,這是因為受到空氣阻力所造成的。平板狀的冰晶因為形狀的關係,會像樹葉般在大氣中水平飄移,而柱狀體冰晶的長軸則會沿著水平方向。這種一致性的排列方式是產生光暈的重要因素,並且不同形狀的冰晶會有屬於自己的光暈。冰晶的大小不一,通常小於10微米的冰晶會對太陽光有較明顯的繞射,使得光暈較弱、較模糊。若大過100微米的冰晶,就可以產生清楚的光暈。因此這些大自然的光暈現象除了和冰晶的排列有關,也和冰晶的大小有密切關係。【更詳細的內容,請參閱第523期科學月刊】

註:http://gheelanusa.org/2013/01/10/台灣羅東看到的火彩虹

1 則留言:

寶貝的家 提到...

我2013/8/11爬玉山時有看到這個附上照片https://www.facebook.com/photo.php?fbid=698283133519551&set=a.698240756857122.1073741829.100000136122514&type=3&theater