Atmospheric optical phenomena 大氣光學現象

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Matthew Chin Blog

Atmospheric optical phenomena 大氣光學現象

(Last Update 5/9/2023)
 
Special Thanks 特別鳴謝
首先，感謝下列作者精彩的原相片/短片的分享 (排名不分先後):
林華恩
劉少平
藍雨洋
Cammy Li
Charlotte Wong
Gluk Luk
Irene Sung
Leung Yu Po
Lok Naturephoto
Mandy PY Siu
Schindler Leung
Soda Leung
Terry Lui
Willis Chan
Yuwa Tsang
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當光源(太陽，月亮和其它光源等)在通過在空氣中物質途中產生選擇性吸收，或不同的反射(reflection)，折射(refraction)，衍射(diffraction)等大型光學現象，再被觀察者所看到，是大氣光學現象。行外人對一般現象的名稱沒有太深入理解，而常常出現以訛傳訛的情況，這裡僅對某些現象作簡略介紹。
主要有：暈/弧、虹、華、海市蜃樓、閃爍、雲隙光/曙暮暉等。
這些不是天文現象，天文現象一般是和星體有關如日食，月食，流星雨等。
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1.1)閃電Lightning 是空氣中雲層內的冰晶和小水滴放電產生，之後常常伴有雷聲。
in-cloud / intra-cloud lightning (IC lightning) 雲內閃電
cloud-to-cloud / inter-cloud lightning (CC lightning) 雲間閃電
cloud-to-ground lightning (CG lightning) 雲對地閃電：
顧名可思其義，香港夏季常有發生，雲內閃電常見，次數可以是雲對地閃電的十倍。
天文台，行雷閃電的科學：
閃電天文台資料：
留意：拍攝閃電會有危險，請確保自己安全，雷暴警告期間切勿到户外或山上拍攝。

雲間/雲對地閃電(2018年香港天文台「「風雲際會」天氣景象 海、陸、空 全接觸相片及影片徵集活動」冠軍作品)
拍攝日期：2016/07/26 19:37HKT
拍攝地點：元朗大生圍
攝影師： Lok Naturephoto

頻密 雲間閃電 (叠相效果)
拍攝日期：2017/6/16 04:35-04:59HKT
拍攝地點：元朗
攝影師： Matthew Chin

1.2)瞬態發光事件（TLEs，Transient Luminous Events）
這是較為罕見中高層大氣的特殊放電現象。因為這種放電現象與對流層閃電不同，所以它們又被稱為瞬態發光事件（TLEs，Transient Luminous Events）。TLEs包括紅色精靈(red sprites)，藍色噴流(blue jet)，精靈暈盤(halo)，巨大噴流(Gigantic jet)以及淘氣精靈（Elves）。
https://atoptics.wordpress.com/tag/sprites/
https://zh.m.wikipedia.org/zh-hk/中高层大气放电
藍色噴流(blue jet)特殊放電現象
拍攝日期：2017/07/23 01:06HKT
拍攝地點：萬宜水庫東壩 望向東南
攝影師： Charlotte Wong‎

1.3) Crown flash 為積雨雲頂部對空氣產生放電現象。
罕有 Crown flash with halo 皇冠閃光與22度暈

 

拍攝日期：2020/07/19 13:30左右
拍攝地點：拍攝於台灣宜蘭員山鄉
攝影師：  林華恩
2)大雨前的瞬光  Bright light before rainstorm
有時在大雨前，樓宇外牆總會被照亮得像翻新一樣的短瞬，跟著不久便下大雨。
請教了台灣天氣專家 鄭明典 兄，得知:
大水滴的透光性比較低，雲中有大水滴就會顯得特別黑，所以大雨前常會有”烏雲”。
因為不密集的熱對流，在潮濕大氣中帶有很多小水滴，將光線散射而形成雷雨區外的亮光。
如果對流很密集，就不會有這種亮光現象。
但是雨低降到地面之後，光源被雨滴阻擋，整個能見度都會降下來。

大雨前的瞬光 Bright light before rainstorm
拍攝日期: 2018/6/23 11:34 HKT
拍攝地點: 南區。華貴邨望南丫島
攝影師: Matthew Chin

 

拍攝日期: 2019/4/19 12:49 HKT
拍攝地點: 元朗
攝影師: Matthew Chin

照片中的景象就是”積雨雲”(cumulonimbus)的底部，樓宇外牆被照亮得像翻新一樣的短瞬。

3)雲影  Cloud Shadow
a)雲影是雲隙光一類的大氣光學現象。
b)陽光到達地球都是平衡線，而像一点散射而出都是錯覺(例子是平衡的火車軌看起來會在遠處聚合，同理)。
陽光平衡線日出後是向下射出，水平日出前有短時間向上。
c)雲的影子向上是另一錯覺，是因雲的影子向下投射到另一層薄雲上，而觀察者在地上看見投射的影子(卻像在雲的上方)。有時，雲的影子可以有多重。
參考:

雲影  Cloud Shadow
拍攝日期：2017/9/10 07:55HKT
拍攝地點：將軍澳
攝影師： Cammy Li

 
下圖是手画的解圖，積雨雲(藍色)造成(紅色)的長長影子，而陽光在屋宇旁左方向下照射。

 

借用英文網站(Atmospheric Optics)的画圖，希望可以說明雲和影子的情況:
黄線是向下的陽光(太陽當天是約廿三度)，長長影子投到薄雲上(藍線為角度)，右下觀察者看到雲影的角度(紅線)。
因為三維的關係，影子的位置其實在雲的下方，但視覺給人的錯覺反而在雲的上方。
Ref: http://earthsky.org/todays-image/cloud-to-cloud-shadow-over-china

4)自從2013年8月6日，本港黄昏出現了大型曙暮暉被傳媒誤會為「反曙暮暉」，香港朋友接觸多了不同的大氣光學現象，這裡僅作一個簡介。

解構雲隙光 – 香港天文台網誌:
我的網誌(2014年3月23日) 雲隙光 / 反雲隙光，曙暮暉 / 反曙暮暉:
當太陽當被雲層或大山遮蓋部分的光線，便會造成雲隙光，「曙暮暉」則特別是指在日出日落時出現的「雲隙光」現象，光線會聚合於反日點就稱為反曙暮暉。”反”曙暮暉或”反”雲隙光就是太陽的對面(日出時西面或日落時東面)的光線。太陽同一方向便不是”反”(而應是曙暮暉或雲隙光)。
(台灣朋友稱「霞光」/「反霞光」。)

曙暮暉 Crepuscular Rays
(2018年香港天文台「「風雲際會」天氣景象 海、陸、空 全接觸相片及影片徵集活動」入圍作品)
拍攝日期: 2013/8/6 19:18 HKT
拍攝地點：流浮山
攝影師: Lok Naturephoto

反曙暮暉 Anti-Crepuscular Rays
拍攝日期: 2016/6/25 19:18 HKT
拍攝地點：畢架山
攝影師: Lok Naturephoto

日落時分東面，強烈的反曙暮暉的平行光束，錯覺像會聚到水平下之一點。
拍攝日期：2018/5/19 19:05HKT
拍攝地點：將軍澳
攝影師： Cammy Li

日出時分由東(左)至西(右)的曙暮暉和反曙暮暉
拍攝日期: 2015/6/7 05:39 HKT
拍攝地點：山貝村
攝影師: Lok Naturephoto

日落時分的曙暮暉(西面，左)，及延展的反曙暮暉(東面，右)
拍攝日期：2019/8/7 19:08HKT
拍攝地點：將軍澳
攝影師： Cammy Li

大帽山頂雷達站做成的隙光
太陽光在照片中清晰可見被建築物遮擋下做成幾束光柱。
拍攝日期: 2014/2/3 07:25 HKT
拍攝地點：元朗(望向大帽山)
攝影師: Matthew Chin

5.1)彩虹 (Rainbow) , 虹霓
虹/霓，也是一般人誤稱為雙彩虹。如果細心留意，下圍的叫「虹」(即彩虹)，顏色由上而下是: 紅.橙.黃.綠.藍.靛.紫，是陽光透過水珠經過2次折射，1次反射而成。(陽光進入近圓形的小水滴，先折射一次，在水滴的背面反射，離開水滴再折射一次而成)。水對光產生色散，形成七色，通常是陽光於觀察者後面(相對的方向)低角度照射空中。
上圍的顏色較淡的是「霓」/ 副虹，較少見，顏色順序和「虹」是相反的。
香港，夏季多雨，可以看到彩虹的大約時間:
早上，日出(六時前)至九時，看西面。
黄昏，四時至日落(七時後)，看東面。
因彩虹出現在太陽的對面，如果不在高山或飛機上，中午難見到彩虹。
(台灣陽明山2017/11/30曾有接近九小時彩虹出現的紀錄。)
冬季，日出遲，日落早。可見彩虹時間差不多，但冬季少雨，可見彩虹次數不多。
而太陽水平角度越低，彩虹出現在天上便越高；反之便越低。

 

四條彩虹，multi split bow
單一第2主虹(twin)，和同時的第2及第3主虹(multi split)，大陸等專家認為產生過程，已不一樣。大陸專家计云説：
//标准的水滴震动导致的分裂，是内、外各分裂出一条(第2同時有第3主虹)，
Twinned不涉及水滴震动，单纯是水滴太大，变扁， 所以它只分裂一条在主虹内部的//

拍攝日期：2024/7/11 08:06
拍攝地點：大欖涌
攝影師: 藍雨洋

 

台灣宜蘭4條彩虹的記錄:

 

APOD picture: Full circle rainbow copyright by Colin Leonhardt
近全圓彩虹，通常要在高空才見到。
拍攝日期: 2020/6/16 18:25 HKT
拍攝地點: 深井
攝影師:   Yuwa Tsang

 

近全圓彩虹，通常要在高空才見到。
拍攝日期: 2024/7/30 18:40 HKT
拍攝地點: 東涌
攝影師:   Soda Leung

 

彩虹 Rainbow

拍攝日期: 2013/7/31 07:21 HKT
拍攝地點：大尾督
攝影師: Lok Naturephoto

虹霓
「虹」(下)，顏色由上而下是: 紅.橙.黃.綠.藍.靛.紫，「霓」(上)顏色順序和「虹」是相反的
拍攝日期: 2016/6/29 07:03HKT
拍攝地點：南區華富
攝影師: Mandy PY Siu

藍天月落和主/副彩虹(虹霓)。
拍攝日期：2018/7/1 06:10HKT
拍攝地點：將軍澳
攝影師： Cammy Li
5.2)雙生彩虹Twinned rainbow
而世界上，是有真正的雙生彩虹(連結內的圖:不計最頂一條，是霓)它的成因，是陽光照射到同一場雨產生不同大小的水滴而形成的，雙生彩虹的兩條虹顏色順序是一樣的：
2019/6/28 Twinned Rainbows, Cammy Li (真正的雙生彩虹，不計最頂一條，那是霓)
拍攝日期：2019/6/28 17:15HKT
拍攝地點：將軍澳
攝影師： Cammy Li
 
拍攝日期：2019/6/28 17:15HKT
拍攝地點：將軍澳
攝影師： Cammy Li
近年來很多主虹分三岔的案例，所以以前的twinned bow名稱就不夠全面了，外國加了multi split的叫法, 而國内將雙生虹改稱並蒂虹。
Multi split bows 案例:
5.3) 月虹(Moonbow)/霧虹 (Fogbow)
而因强烈月光而形成的彩虹是月虹(Moonbow)，非常罕見，夜晚低光下視覺看起來月虹暗淡或像白色。月虹是夜間彩虹，和月暈的分別是月虹中央不會見到月亮，因月亮在觀察者後方。
霧虹是一種類似於彩虹的天氣現象，太陽光經由非常小水滴分子反射和折射後形成。霧虹常沒有顏色，看起來為白色。
APOD picture:  Moonbow, milky way, meteor copyright by Thierry Legault
2020年七月追彗星 C/2020 F3，拍到人生第一條月虹(moonbow)
拍攝日期：2020/7/6 04:43
拍攝地點：Yuen Long
攝影師：  Matthew Chin

 

2018/3/5 香港見大型平流海霧，維港多處也有朋友拍得美照。而當天早上/黄昏也見到因為海霧而出現霧虹(Fogbow)的照片。

拍攝日期: 2018/3/5 09:45 HKT
拍攝地點：舂坎角
攝影師: 劉少平

拍攝日期: 2018/3/5 17:00 HKT
拍攝地點：小西灣
攝影師: Schindler Leung

 

5.4) 紅色彩虹 Red rainbow – 這彩虹有兩個特色：
a)因為時間已太晏，彩虹得紅色(長波)最顯眼，(這跟日落時常見紅色雲霞一樣道理， 太陽已接近水平，藍光比紅光波長短，已被大量散射，剩下紅橙色的光)。
b)因這天太陽18:54 下山，所以，彩虹高度接近最高。
拍攝日期：2019/8/17 18:53HKT
拍攝地點：將軍澳
攝影師： Cammy Li
5.5)Reflection rainbow (反射虹)與主虹相交，而顏色順序和主虹是一樣。
天文台2010年報導:
2020/6/13 17:24 Willis Chan 三號風球下在東壩拍得罕見的反射虹(Reflection rainbow)
 
5.6)Supernumerary bows (複虹)出現在主虹旁邊的虹(呈紫黃綠色的環)，這和多次虹(三/四虹)經多次反射/折射並不一樣。
5.7)彩光環 Glory
當太陽從登山者後面照射過來，登山者有時可以看到他的影子被陽光投射到霧或雲上。當臨近日落或日出的時間，太陽的高度較低時， 觀察者的下半身影子會被大大拉長，影子因而看來明顯被放大。投影到霧或雲上的觀察者影子，四周被「彩光環」的一系列同心圓彩色發光環包圍着，也稱為「布羅肯 幽靈 (Brocken Spectre) 」。
相同現象，有時在航班的窗外也可以見到飛機的影子被彩光環圍繞着。
這都是由於陽光，被雲/霧內細小的水滴散射而成。若多重的環形成，顏色會順序重複。彩光環顔色和彩虹一樣，外紅內紫。
** 所有暈弧，幻日，向太陽一方是紅色。
彩虹/彩光環，都出現在太陽對面，是外紅內藍色。 **

彩光環 Glory
拍攝日期：2018/11/11 07:02HKT
拍攝地點：鳳凰山頂
攝影師： Terry Lui

霧虹Fogbow 和 彩光環Glory
拍攝日期：2020/11/22 07:00-09:00
拍攝地點：大帽山
攝影師：  Gluk Luk

 

6.1) 暈 Halo
Halo 暈 – 暈可分為有「小暈」和「大暈」，「小暈」即22度暈，「大暈」即46度暈。小暈是以發光體為圓心，角半徑為22度的一種內圈呈淡紅色，外圈偶爾為藍色或白色的光環。而大暈則是角半徑為46度的暈環，大暈仍是內紅外藍色，比22度暈暗淡，香港並不容易看到。而9/18/23度日暈( Odd radius halos, 特別角度暈 )形成條件嚴苛，需要陽光在散亂金字塔型冰晶的折射而成。而9度日暈因為接近光源，難於觀測，更為罕見。
外國網站詳細資訉: http://www.atoptics.co.uk/halosim.htm
暈/弧多種:
臺北星空67期(p.49-52)也有介紹各種日月暈弧  (中文譯名):
https://www.tam.gov.taipei/News_Content.aspx?n=FDE741762D625CD4&s=D10C4DFDE9F41602

9/18/23度日暈 Odd radius halos ( 特別角度暈 ) :

由金字塔型卷雲冰晶產生的不常見 9/18/23 度日暈，平時常見的22度日暈是由扁平的六角冰晶產生。
Ref : UK atoptics 網站：http://www.atoptics.co.uk/halo/pyredens.htm9/23度日暈
拍攝日期：2017/10/6 16:28HKT
拍攝地點：佐敦
攝影師： Cammy Li

 

9/18/23度日暈

拍攝日期：2019/4/26 15:08HKT
拍攝地點：佐敦
攝影師： Cammy Li

 

 

9/18/23度日暈
拍攝日期：2020/8/8 16:50HKT
拍攝地點：屯門九徑山
攝影師： Lok Naturephoto

 

22度日暈 Sun Halo
拍攝日期: 2015/6/28 13:01 HKT
拍攝地點：屯門
攝影師: Lok Naturephoto


22度日暈 Sun Halo
拍攝日期: 2017/5/12 13:17 HKT
拍攝地點：Quarry Bay
攝影師: Matthew Chin

 

 

 

22度月暈 Moon Halo

拍攝日期: 2012/9/1 23:46 HKT
拍攝地點：元朗
攝影師: Matthew Chin

 

 

 

 

9/23度月暈
拍攝日期：2020/6/4 22:26HKT
拍攝地點：Yuen Long
攝影師： Matthew Chin

 

6.2)Sundog 幻日/Moondog 幻月/幻月環 (Paraselenic circle)
幻日/幻月是在真實太陽/月亮位置左右兩側產生兩個彩斑的虛像。

日暈 和 幻日 Sun Halo and Sundog
(太陽位置右側光點是幻日，半圓環是 22度日暈)
拍攝日期: 2015/8/25 16:28 JST
拍攝地點：北海道札晃巿
攝影師: Matthew Chin

幻月(Moondog), 月暈(Moon Halo), 幻月環 (Paraselenic circle)
拍攝日期: 2017/7/12 04:33 HKT
拍攝地點：元朗
攝影師: Matthew Chin

 

 

 

6.3)Circumzenithal Arc 環天頂弧(CZA) – 是一種在外觀上類似彩虹的光學現象；但它的形成是太陽光從水平方向通過冰晶（一般位於卷雲內）後折射而形成，而非雨滴。太陽光在低角度（接近地平線）進入卷雲內，因此環天頂弧出現在太陽上方，形成一個微笑。通常出現於日出後或日落前。

環天頂弧(CZA) – 內藍外紅色的環天頂弧 – 即是圖內的彩色環(像倒轉的彩虹)。
環天頂弧(Circumzenithal Arc)
拍攝日期: 2017/7/2 07:15 HKT
拍攝地點：將軍澳
攝影師: Cammy Li

 

環天頂弧(CZA) – 太陽水平左右，亦拍到像幻日的彩斑。
拍攝日期: 2017/7/8 07:34 HKT
拍攝地點：元朗 大樹下西路
攝影師: Matthew Chin

6.4)正切弧(Tangent Arc) – 分為上正切弧和下正切弧, 其中一點掂著22°日暈邊緣, 弧線形狀會隨著太陽升高而改變。

上正切弧(Upper Tangent Arc) 
下弧是日暈的頂端部分。上弧名為「上正切弧」。

拍攝日期：2017/7/24 07:42 HKT
拍攝地點：佐敦
攝影師： Cammy Li

上正切弧(Upper Tangent Arc) / 外接暈
下弧是日暈的頂端部分。上弧名為「上正切弧」/ 外接暈。
Circumscribed Halo (外接暈) 較不常見，因為通常較暗淡。

拍攝日期：2017/10/9 08:29HKT
拍攝地點：佐敦
攝影師： Cammy Li


下正切弧(Lower Tangent Arc) 
上弧是日暈的底端部分。下弧名為「下正切弧」。

拍攝日期：2017/10/9 09:27HKT
拍攝地點：元朗
攝影師： Irene Sung

外接暈 Circumscribed Halo
太陽高度大于 32°之後，
上切弧跟下切弧連在一起就形成外接暈。
外接暈圈剛開始與22度暈只是上下切，呈現橢圓狀。
外接暈圈上/下方會接在22度暈上，左/右圈在22度暈之外。
當太陽高度越高，外接暈圈越貼近 22°暈。
我們常在中午看見很亮的22度暈，其實常是22度暈與外接暈重疊。
Ref:
22度暈外面那一個:
拍攝日期：2023/9/4 09:30
拍攝地點：屯門
攝影師： Terry Lui
上側弧 (Supralateral Arc)
拍攝日期：2023/8/23 07:33
拍攝地點：Yuen Long
攝影師： Matthew Chin

6.5)Circumhorizon Arc 環地平弧(CHA) – 太陽照射卷雲層的角度為 58度。是其中一種最漂亮的現象，雲層呈現七色，由太陽光在高角度進入卷雲內扁平狀的冰晶形成，因此環地平弧出現在太陽下方，俗稱「火彩虹」。通常出現於中午前後。

 環地平弧 Circumhorizon Arc (CHA)
拍攝日期: 2018/07/29 14:02HKT
拍攝地點：Yuen Long
攝影師: Matthew Chin

 

環地平弧 Circumhorizon Arc (CHA)
拍攝日期: 2017/7/19 11:26 HKT
拍攝地點：Quarry Bay
攝影師: Matthew Chin

 

7)Corona 華 – 為一種自然光源透過薄雲中的微細水滴所產生的特殊光象。在太陽週遭形成一圈彩虹光即為日華（英文：Solar Corona）；而在月亮旁繞成一圈的彩虹光即為月華（英文：Lunar Corona）。
華是在光源中央白光紅邊光環外，週遭另外再見到內藍外紅的彩虹光環組成。是環繞於日月或其他發光體圓面外所形成之同心圓。
華由無數水點之繞射作用 (Diffraction)而生；如果水滴大小相近，光環是圓的，否則是模糊的。光環直徑的大小與水滴的大小有關：水滴越小，環越大。
華與暈的區別是：華實際上是一個圓盤(disc)，不是圓圈(ring)，而暈是圓圈；另外華是由中低空的水滴產生，暈是高空冰晶所產生。華之角徑一般為數度，比22度暈小；而與22度暈之顏色次序相反。
月華 Lunar Corona
拍攝日期: 2017/9/7 05:06 HKT
拍攝地點：元朗
攝影師: Matthew Chin

 

月華 Lunar Corona
拍攝日期：2016/12/19 04:28, 04:31HKT
拍攝地點：元朗
攝影師： Matthew Chin

日華 Solar Corona
拍攝日期: 2014/2/23 09:59 HKT
拍攝地點：元朗
攝影師: Matthew Chin

形似「食鬼」的日華
(2018年香港天文台「「風雲際會」天氣景象 海、陸、空 全接觸相片及影片徵集活動」入圍作品)
拍攝日期：2017/10/19 15:47HKT
拍攝地點：佐敦
攝影師： Cammy Li

8)Iridescence cloud 彩雲//虹彩雲- 日光通過帶有水滴微粒懸浮的薄雲時，水滴大小不一使得通過的光產生不同方向的繞射，繞射的光彼此干涉，因此在發光體周圍產生不規則片狀的艷麗彩雲。

彩雲/虹彩雲 Iridescence clouds
拍攝日期：2017/7/29 18:42 HKT
拍攝地點：元朗
攝影師： Matthew Chin

9)Pillars 光柱

光柱是地球大氣層中的冰晶反射陽光或月光或其他光源所形成的一種光學現象。
光柱看起來像一個薄柱，垂直延伸上面和/或下面的光源。當太陽低於或位於地平線以下時，光柱明顯可見。它通常超出了太陽5到10度，或延伸形成一個弧形光，弧形光有點像日暈。

日柱 (Sun Pillar):
拍攝日期：2017/8/12 18:50HKT
拍攝地點：汀九
攝影師： Lok Naturephoto

日柱(Sun Pillar)的頂部有時見到「弧型光」:
拍攝日期：2017/8/12 18:57HKT
拍攝地點：汀九
攝影師： Lok Naturephoto

日柱 Sun Pillar
拍攝日期：2019/8/15 06:50HKT
拍攝地點：將軍澳
攝影師： Cammy Li

10)綠閃Green flash，和太陽蜃景Mirage

太陽底部像花瓶脚的形象，稱為下蜃景 (inferior mirage)
參考: https://aty.sdsu.edu/mirages/mirintro.html

拍攝日期：2020/3/1 06:44
拍攝地點：大帽山
攝影師： Leung Yu Po

11) 月亮下蜃景 Lunar inferior mirage
因為海平面不同温度的空氣層折射影響，月出時月亮的下蜃景(omega moon)
拍攝日期：2023/8/2 19:51
拍攝地點：Shek O
攝影師： Terry Lui

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