不尋常的光柱

生活科學趣談

這張發表在 APOD 的不尋常光柱照片,其上端出現罕見的散開扇形光束。文章提及其成因“仍然是一個猜測的話題”,我則傾向於這是上外切弧(Upper tangent arc

由於上外切弧是正切於22°暈的頂端,因此試著用 HaloSim 軟體模擬了光源在不同俯角時的暈弧形狀

印證了左方紅色光柱具有較小的扇形張角

上外切弧與 22º 暈、幻日都是光線穿過相同的晶面光路。幻日 是片狀六邊形冰晶以水平姿態,繞鉛直軸旋轉所形成; 22º 暈可以視為六邊形的法線隨機取向,因而形成一個正圓的日暈;上外切弧則是光線穿過柱狀六邊形冰晶,而其長軸幾乎呈現水平姿態,這種水平橫躺的柱狀冰晶以長軸當旋轉軸,就會形成上外切弧與下外切弧。

當長軸垂直於入射的陽光,然後以長軸為旋轉軸,就會產生兩個幻日位於太陽的正上方 22º與正下方 22º(亦即出現在外切弧的V形尖端)。若是入射的陽光與長軸不垂直,而且仍然以長軸為旋轉軸旋轉,則會形成上外切弧與下外切弧。這是由於偏離較大角度的傾斜光線所導致,從而產生外切弧的“翅膀”。有興趣瞭解數學推導的朋友請參考這篇 → 有關22°切弧

結論:這些不尋常光柱的形成機制,應該是低空存在著較多的水平橫躺柱狀冰晶。

同場加映:2021·中國神奇天象·Top20大盤點!
註:上則文章中提及的「燈22°幻日」不夠精準,應該是「通過22°幻日的 “幻日環“」;「上映幻日」也不精確,因為會通過光源的彎曲弧線只有一種 → 螺旋面圓弧 Helic arc,這是光線經冰晶側面反射所形成(冰晶表面與地平線成 60° 角)。

延伸閱讀

光柱現象

淺談日暈