原文標(biāo)題：《“毅力”號(hào)新發(fā)現(xiàn)：火星上的 22 度暈！》

在地球時(shí)間 2021 年 12 月 15 日，正在火星表面執(zhí)行任務(wù)的“毅力”號(hào)火星車拍攝到幾張罕見照片，顯示火星上也能看到由特殊的冰云折射陽光形成的光學(xué)現(xiàn)象 ——22 度暈。這是人類探測(cè)器第一次在地球以外的地方觀測(cè)到這種現(xiàn)象。

來自美國科羅拉多太空科學(xué)研究院（Space Science Institute）的科學(xué)家 Lemmon（注意，不是檸檬）等人組成的科研團(tuán)隊(duì)于 2022 年 8 月在美國著名地球物理研究刊物 Geophysical Research Letters 上發(fā)表了這一發(fā)現(xiàn)。

“暈”及其分類

暈（yùn），也叫光環(huán)（halo）、白虹，是一種大氣光學(xué)現(xiàn)象。暈是由于光線（日光、月光）通過富含冰晶微粒的云霧散射而形成的光弧、光圈或光斑，根據(jù)形狀和出現(xiàn)位置的差異可以分為 22 度暈、46 度暈、日柱、幻日（近 / 遠(yuǎn)）、環(huán)天頂弧、環(huán)地平弧等等。不同種類的暈觀測(cè)難度各不相同，通常而言，22 度暈最為常見，其余種類的暈亮度偏弱，或者因?yàn)橛^測(cè)角度問題，往往需要更多條件才能觀測(cè)到，有時(shí)甚至成為某些“奇觀”進(jìn)入新聞。

為什么叫 22 度暈?zāi)兀?/strong>這是根據(jù)暈的“視角半徑”來命名的。在良好的氣象條件下，大氣中純凈的冰晶顆粒多為六棱柱形（Schaefer，1949），根據(jù)幾何光學(xué)推算，當(dāng)光線從六棱柱某一側(cè)面進(jìn)入，再經(jīng)過折射從另一側(cè)面射出，折射角大約就是 22 度。46 度暈情況則是光線從六棱柱側(cè)面進(jìn)入后經(jīng)過折射再從頂 / 底面射出，或者正好反過來從頂 / 底面進(jìn)側(cè)面出，折射角約為 46 度。由于自然情況下冰晶多以側(cè)面對(duì)著陽光，光線多側(cè)進(jìn)側(cè)出，而很少經(jīng)過頂 / 底面，因此 22 度暈比 46 度暈要強(qiáng)得多，也更容易觀測(cè)到。

其他種類的暈也是由光線經(jīng)過六棱柱或復(fù)雜六棱柱組合體的折射產(chǎn)生的效果。大氣中冰晶的形狀分布和排列方向往往不是隨機(jī)的，而是帶有一定排布規(guī)律或主導(dǎo)成分，在某些特定天氣情況和地點(diǎn)，來自某個(gè)方位的折射光變得更強(qiáng)，對(duì)應(yīng)的光學(xué)現(xiàn)象也就更加明顯。

中學(xué)時(shí)期我們?cè)凇短砌虏蝗枋姑芬晃闹辛私獾揭粋€(gè)不祥之兆 —— 白虹貫日。這里所說的天象其實(shí)就是幻日弧。它正好穿過太陽，與 22 度暈環(huán)相交產(chǎn)生幻日（假日，sun dog），因此得名。現(xiàn)代我們應(yīng)該了解到這是一個(gè)可以用光學(xué)原理解釋的科學(xué)現(xiàn)象，并非什么不祥之兆。

幻日有時(shí)特別明亮，以至于和真正的太陽不相上下，仿佛天上出現(xiàn)了好幾個(gè)太陽一般，因此得名。在晴朗的冬日，大氣中富含細(xì)小而干凈的冰晶顆粒，22 度暈和幻日弧異常清晰，交錯(cuò)之處的幻日也變得明亮無比，因此才成為奇觀。

日柱則是豎直方向出現(xiàn)的暈，仿佛一道穿越太陽的光柱。

當(dāng)太陽高度角很低時(shí)（32 度以下，太陽居于很偏的位置，如冬季、黃昏），可以看到環(huán)天頂弧（circumzenital arc，也叫“日載”）。

如果視野足夠開闊清晰，太陽高度角也較高（58 度以上，太陽在更接近頭頂?shù)奈恢?，如盛夏、中午），而且所處緯度不超過 58 度，可以看到環(huán)地平弧（“日承”，parhelic circle）。

上切弧或外切弧是位于 22 度暈上方相切處的光暈，有時(shí)在上切弧上方還有一條接近平行于 22 度暈的弧線，稱為“派利弧”，由英國探險(xiǎn)家威廉?派利爵士（1790-1855）首次發(fā)現(xiàn)并詳細(xì)描述。

火星上很少有“暈”

了解完地球上的暈，我們?cè)賹⒁暯寝D(zhuǎn)到火星。為什么火星上很少出現(xiàn)“暈”呢？歷史上曾經(jīng)有多個(gè)火星車如好奇號(hào)、機(jī)遇號(hào)等等著陸并且長時(shí)間工作，但是從來沒有拍到過一次日暈現(xiàn)象。火星雖然大氣稀薄，但也有云，只不過其中的主要成分不光有水，還有一些干冰?；鹦巧隙喟l(fā)沙塵暴等惡劣天氣，能夠穩(wěn)定顯示冰晶散射的氣象條件比較罕見。最關(guān)鍵的是，此前很多研究表明，火星大氣缺乏形成大尺寸規(guī)則六棱柱形冰晶顆粒的條件，而“暈”的產(chǎn)生需要比可見光波長大得多的六棱柱冰晶顆粒，這樣才能滿足幾何光學(xué)近似。

Cooper（2020）參考了好奇號(hào)等火星車的觀測(cè)數(shù)據(jù)，獲得了一些六棱柱冰晶存在的證據(jù)，但是這些冰晶數(shù)量極其稀少。“毅力”號(hào)意外拍到的光暈使得科學(xué)家得以確定火星上同樣存在大顆粒冰晶云，對(duì)火星氣候和火星上冰云的形成、分布特點(diǎn)有了新的認(rèn)識(shí)。

參考資料

• [1]. Lemmon, Mark T., et al. "Hexagonal prisms form in water‐ice clouds on Mars, producing halo displays seen by Perseverance Rover." Geophysical research letters 49.17 (2022): e2022GL099776.

• [2]. Schaefer, Vincent J. "The formation of ice crystals in the laboratory and the atmosphere." Chemical Reviews 44.2 (1949): 291-320.

• [3]. Wendisch, Manfred, and Ping Yang. Theory of atmospheric radiative transfer: a comprehensive introduction. John Wiley & Sons, 2012.

• [4]. 盛裴軒等.大氣物理學(xué)（第 2 版）. 北京大學(xué)出版社，2013.

• [5]. Kahn, Ralph. "The spatial and seasonal distribution of Martian clouds and some meteorological implications." Journal of Geophysical Research: Space Physics 89.A8 (1984): 6671-6688.

• [6]. Cooper, B. A., Moores, J. E., Battalio, J. M., Guzewich, S. D., Smith, C. L., Modestino, R. C. N., & Tabascio, M. V. (2020). Aphelion cloud belt phase function investigations with Mars Color Imager (MARCI). Planetary and Space Science, 184, 104840. https://doi.org/10.1016/j. pss.2020.104840

本文來自微信公眾號(hào)：石頭科普工作室 （ID：Dr__Stone），作者：思空

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