注：下文中的光路图来源于Walter Tape所著的Atmospheric Halos一书以及Arbeitskreis Meteore e.V.网站。冰晶晕模拟图来源于Taivaanvahti网站。文中所有照片的版权归原作者所有。

为了帮助理解，首先需要介绍一些基本知识～

①能够形成冰晶晕的冰晶，其尺寸通常在数十微米至数百微米不等，肉眼几乎不可见，需要借助显微镜观察细节。这样的冰晶按其形态主要可以分为三类，分别称作柱状冰晶（column crystals，简称柱晶）、片状冰晶（plate crystals，简称片晶）和锥状冰晶（pyramidal crystals，简称锥晶）。其中柱晶和片晶都是六棱柱形状，只不过是高度和直径之比存在差异。而锥晶则较为罕见，其形态也富于变化（因此，由锥晶形成的冰晶晕也很罕见，不在本文讨论范围内，将来会作介绍）。

图1 显微镜下的冰晶

②冰晶在大气中下落时，倾向于使自身所受的阻力最大。受其自身形态和大气运动的影响，冰晶在大气中下落时会呈现不同的运动模式，称作取向（orientation）。目前我们所知的典型冰晶取向有五种，前三种很常见，分别是：

random取向（random orientation）：冰晶无固定运动方式，在大气中做随机性的运动。

column取向（column orientation）：柱晶通常采取的取向。冰晶c轴水平，同时在大气中旋转和翻滚。

plate取向（plate orientation）：片晶通常采取的取向。冰晶c轴垂直，同时在大气中旋转。

其余两种取向是以人名命名的，分别是Parry取向（Parry orientation）和Lowitz取向（Lowitz orientation），这两种取向比较罕见，由它们所形成的冰晶晕因此也相对罕见，将来会有文章细致介绍。

图2 三种常见的取向

当然，实际情况下的取向不可能是完美的，冰晶总会有或大或小的摆动。一般地，摆动越小，形成的晕象就越清晰，观赏性就越高。

③光线依次通过晶体的两个面（一个面射入，一个面射出）时发生两次折射，存在一个最小的偏转角度，称为最小偏向角（minimum deviation angle），在这个角度上出射光线最为密集。它决定了某种冰晶晕到光源的大致距离。最小偏向角的值受折射率和入射面与出射面夹角（记作θ_w）的影响。

不同颜色的光折射率不同，因而光线折射时会发生色散，使一些冰晶晕带上彩色。规律是：彩色的冰晶晕，靠近太阳的一侧为红色，远离太阳的一侧为蓝色。

不过在粗略计算中，由于不同颜色光折射率差异不大，很少考虑折射率的影响。如果把折射率视为定值的话，最小偏向角就只是θ_w的函数了。

④光线通过冰晶时发生折射和反射，其路径称为光路（ray path）。一种冰晶晕可以对应一种或几种光路。

下面是正式的介绍～

「60°晶面」

60°晶面冰晶晕的光路是类似的，光线都是从六棱柱冰晶的一个侧面射入，从相间的一个侧面射出，θ_w为60°。我们可以计算出，此时光线的最小偏向角约为22°。

图3 60°晶面的光路

22°晕（22°halo）

这是最常见的一种冰晶晕。日常语言中所称的“日晕”“月晕”大多数情况下指的就是22°晕。在中国，它每年可以出现几十乃至上百次。如果你很少见到它，多半是因为留意太阳较少，加之其有时较为微弱的缘故。

22°晕通常出现于卷云或卷层云之上，这类云包含大量微小的冰晶。当看到天空中好像蒙着一层“薄纱”时，就可以留意一下是否有22°晕出现。

图4 本人拍摄的22°月晕

22°晕是环绕光源、角半径约为22°的晕圈。把手臂伸直，再将五指完全张开，此时大拇指和小指之间的距离，大约就对应着天空中22°晕的半径。

22°晕可以出现一定程度的色散。当然，若冰晶质量不佳或光源强度较弱，色散可能不明显。

22°幻日（22° parhelia, sundogs）

22°幻日也是最为常见的冰晶晕之一，仅次于22°晕。在中国大部分地区每年可出现数十次。

22°幻日表现为居于光源两侧的两个对称的亮斑。媒体报道中常说的“三个太阳”，左右两个太阳即是22°幻日。太阳高度较低时，幻日出现在22°晕上；随太阳高度增大，其相对太阳的张角也变大，光强亦逐渐减弱，太阳高于40°时已经非常暗弱，几乎不可见。

图5 22°幻日（右侧）

图6 本人拍摄的22°幻日（左侧）

我们可以把22°幻日叫做22°plate弧，因为它是由plate取向的片晶形成的。

22°幻日可出现较为明显的色散，带有鲜艳的色彩。

上/下切弧（upper/lower tangent arc）和外接晕（circumscribed halo）

我们也可以把它们叫做22°column弧，因为它们由column取向的冰晶所形成。

图7 上切弧

图8 下切弧

图9 外接晕

上/下切弧是常见冰晶晕里形态最特殊的一种，其形态受太阳高度影响极大。太阳高度较低时，它们是分离的V字形光晕，分别居于22°晕的上下两侧。当太阳高于约35°时，二者连为一体，变成套在22°晕周围的类椭圆形的晕圈，称为外接晕。且太阳越高，外接晕就越圆，达到90°时和22°晕完全重合。

图10 上/下切弧的形态随太阳高度的变化。模拟程序：HaloPoint

外接晕和22°晕同时出现时，其强度通常要高于后者。

「90°晶面」

90°晶面冰晶晕的光路也是类似的。六棱柱形冰晶侧面与底面的夹角为90°，光线从这样的一个面射入，从另一个面射出，即θ_w为90°。此时光线的最小偏向角约为46°。

图11 90°晶面的光路

46°晕（46° halo）

46°晕是环绕于光源周围的很大的晕圈，由随机取向的冰晶形成。它的角半径是22°晕的两倍有余，因而能够覆盖天空中相当广大的面积。普通的手机或相机镜头难以一次拍全。

与22°晕相比，46°晕要罕见许多。由于能够通过46°晕光路的光线被局限于较小的角度和宽度范围内，它注定较为暗弱。同时，由于其所在的天空范围很大，它也更加难以被注意到。

图12 22°晕外部暗弱的46°晕

当出现较强的22°晕时，可以留意是否有46°晕的出现。

环天顶弧（circumzenithal arc, CZA）

环天顶弧表现为凸向光源、环绕天顶的彩色光弧。它不算罕见，留心观察每年都可以看到几次。

环天顶弧属于46°plate弧，它通常由plate取向的片晶形成。光线从冰晶的上底面射入，经折射从一个侧面射出。

环天顶弧的色散程度很高，色彩十分鲜艳。中国古代称其为“日承”。所谓“倒挂彩虹”“微笑彩虹”“天空的微笑”等俗称指的都是环天顶弧。

图13 色彩鲜艳的环天顶弧

随太阳升高，环天顶弧的半径逐渐减小。它只能在太阳低于32°时出现。

环地平弧（circumhorizontal arc, CHA）

环地平弧是略凹向光源、出现于地平线附近的彩色光弧。它十分宽大，如果完整地出现会非常壮观。

图14 云层中的环地平弧

环地平弧的色散程度也很高，中国古代称其为“日载”。它也有“火彩虹”等俗称。

环地平弧属于46°plate弧。它通常由plate取向的片晶形成。光线从冰晶的一个侧面射入，经折射从下底面射出。

图15 近期新番《恋爱小行星》第10话中出现了环地平弧

环地平弧只能在太阳高于58°时出现。因此高纬度地区较难观测到环地平弧。

上/下侧弧（supralateral / infralateral arc）

上/下侧弧是46°column弧，表现为太阳上部、两侧或下部的彩弧。它们的色散程度高，色彩非常鲜艳，常被误认为彩虹。

图16 上/下侧弧

太阳高度较低时，下侧弧的两段是分离的，分别居于太阳的左下侧和右下侧。太阳高于约60°时，两段合为一体。

上侧弧与46°晕有时容易混淆。区别方法是，46°晕是正圆形，而上侧弧的曲率与其有差别。上侧弧通常比46°晕更为显眼。

图17 上/下侧弧的形态随太阳高度的变化。模拟程序：HaloPoint

与环天顶弧类似，太阳高于32°时，上侧弧无法形成。

下侧弧与环地平弧相切，有时亦难以分辨。二者同时出现时，下侧弧的两端居于环地平弧之上。

「其他」

这些冰晶晕的光路中包含反射，实际上并不符合国外所定义的“常见冰晶晕”。但是它们的光路相对简单，出现频率也比其他罕见冰晶晕高得多，故放在这里一并介绍。

幻日环（parhelic circle, PHC）

幻日环是贯穿太阳、与太阳高度一致的白色圆环，也就是古代所说的“白虹贯日”。它的大小会随太阳高度发生巨大的变化：太阳较低时居于地平线附近，环绕全天；太阳较高时收缩得很小，甚至可以完全处于22°晕以内。

图18 较低角度下的幻日环

图19 高角度下的幻日环

幻日环主要由plate取向的片晶和column取向的柱晶形成。有许多条光路都可形成幻日环，主要的光强由其中两条贡献：一条是光线仅在冰晶侧面经历一次外反射；另一条是光线经历一次内反射。

图20 幻日环的几条光路

在幻日环上还会出现其他的冰晶晕，如120°幻日、Liljequist幻日。

120°幻日（120° parhelia）

120°幻日出现在幻日环上与光源相距120°的位置，是两个白色的亮斑。

图21 箭头所指处即为一个120°幻日

120°幻日由plate取向的片晶形成。通常的光路是：光线从冰晶的上底面射入，在两个相邻的侧面经历两次内反射，再从下底面射出，水平方向的偏转角始终为120°。

图22 120°幻日的光路

当观察到强烈的22°幻日时，可以留意是否有120°幻日出现。

日柱（sun pillar）

日柱是出现于太阳上侧/下侧的光柱，颜色与日光相同。它通常在日落时，尤其是太阳已落入地平线以下时最为明显。

图23 日落时出现的日柱

最常见的一种日柱是plate日柱，它由片晶形成。光线在冰晶底面经历一次外反射，或从侧面射入，在底面经历一次内反射后射出。

与其他冰晶晕不同，日柱的形成对冰晶取向没有十分严苛的要求，甚至雪花也可以形成日柱。

此外，column取向和Lowitz取向的冰晶也能够形成日柱。

类似地，在寒冷地区的夜晚，若近地面的空气中悬浮有大量的冰晶，人造光源也可以形成光柱（light pillar），非常壮观。我国内蒙古、东北地区的冬季时常会出现这种现象。

图24 寒冷地区夜晚出现的光柱，街灯充当光源

映日（subsun）

映日是一种出现于地平线以下（当光源在地平线以上时）的冰晶晕，因此要想观测到映日，最佳的地点是飞机上或高山地区。

映日出现于太阳的正下方，与太阳到地平线的距离相等，是一个明亮的光斑。大多数情况下，它在垂直方向上趋向于伸长。

图25 飞机上拍到的映日，同时还出现了映22°幻日

映日由plate取向的冰晶形成，光线在冰晶上表面经历一次外反射，或从一个侧面射入，在下表面经历一次内反射后从另一侧面射出。

图26 映日的光路