換個行星看暈華 ( 上 )

作者：江秉城 / 劉耕文

編輯：林彥興 / 邱聖凱 / 郭泰驛

何謂光象？光象是光經過大氣中的微粒折射、反射或干涉後被人眼看到的光學現象。華的原理與干涉有關，歸類為干涉光象；而暈與虹則跟光的折射有關，歸類為折射光象。
這一年來，當我們仰望天空，常常可以在太陽和月亮旁看到精采的光象。有時候看到一整圈的暈，有時候看到一層的華。他們壯觀的樣子都使人著迷。這個時候，有個奇異的想法出現了：在地球上有如此壯觀的現象，若有一天到了其他的星球，那還看得到嗎？

地球上的華
光線經過大氣中的懸浮微粒後，在微粒兩端點光源產生繞射。由多個繞射互相干涉，並疊加後產生彩色的光盤面，稱之為華。
影響華的型態包含兩項因素，水滴粒徑大小及水滴大小一致性。粒徑大小會影響華的圓盤視角大小，若水滴粒徑較小，則圓盤會放大；而當水滴粒徑越大，則圓盤縮小，如圖一。在此為方便說明，將中心紅色環的視直徑定義為華的視直徑。水滴大小的一致性程度會影響華的清晰度，若大氣中的水滴粒徑大小越一致，華越清楚；若大氣中的水滴粒徑大小有各式各樣的尺寸，會產生不清楚的華，如圖二。

圖一：本文以華最接近中央紅色位置作為華的大小定義，如水滴大小為10μm時視，華的視直徑定義為5.2度。
資料來源：https://www.atoptics.co.uk/droplets/cordrsz.htm

圖二：水滴粒徑大小的一致性影響華的色彩對比度。One size表示大氣中的水滴粒徑大小一致；10%表示大氣中有10%的水滴粒徑大小與別的不同；20%表示大氣中有20%的水滴粒徑大小與別的水滴不同。若大氣中的水滴粒徑大小越一致，則華看起來越清楚。
資料來源：https://www.atoptics.co.uk/droplets/cordrsz.htm

由於華的原理是邊緣繞射後干涉，不需要穿過物質，產生華的懸浮微粒不一定要為水滴。若冰晶的大小相符，甚至花粉，也可以產生華。
華最特別之處是它的顏色不是按紅橙黃綠藍靛紫排序，因為華的顏色是由不同波長的光干涉後疊加。另外，不同波長的光在干涉之後，產生出的強度峰值位置也不相同，因此產生出多彩的同心圓結構，顏色與角度的關係如圖三色條所示。

圖三：不同波長的光經過干涉後，所得出的視角半徑與強度，及疊加後得出的顏色。其中縱軸為光強度，橫軸為距離中心的視直徑，疊加出來的顏色如最上方的長條形，而第三個長條形是實際狀況的亮度，第二個長條形則是實際亮度再乘上十五倍。
資料來源：http://www.philiplaven.com/p8c.html

地球上的暈
光經過空中的冰晶後會產生折射與色散，看起來就像光源旁有一圈光環。但冰晶的形狀很多元，因此能產生的光象也具有多樣性。而暈的顏色成因則與虹很類似，兩者皆屬折射光象，只是虹是由水滴折射與反射，暈則是由冰晶折射與反射。

日暈，攝於新竹高中校門口。攝影：黃晟庭
冰晶的大小和清晰度有關。冰晶小於10μm時，米氏散射和干涉的影響會使光象互相干擾，導致華和暈都不明顯；當冰晶介於50μm~100μm時，會產生邊緣最清晰的暈；當冰晶顆粒大於1mm，則暈的輪廓會模糊不清，因為大顆的冰晶可能含有雜質，進而影響折射角。
冰晶的種類和暈的種類有關。如圖五，當大氣中的六角柱狀冰晶以綠線為轉軸落下，稱之為長柱狀冰晶(Column)，光的入射角呈機率分布。折射光的折射角範圍約為22～50度。這可能可以形成上切弧、下切弧、光柱等。但當大氣中的六角柱狀冰晶以紅線為轉軸滾動落下，則稱為Parry 冰晶(圖五)。這種旋轉方式發生的機率非常低，並可能造成環天頂弧(Circumzenithal arc)等。大氣中的六角平板狀冰晶若只以紅線為轉軸落下，稱為平板狀冰晶(Plate)。若光線從冰晶上部入射時產生環天頂弧；從側面入射時則產生幻日。但若六角平板狀冰晶以紅線和綠線作轉軸落下，稱為Lowitz冰晶，則會產生更少見的光象。22度與46度暈的發生原因也可以由六角柱狀冰晶長軸(綠線)方向水平旋轉掉落。

資料來源：http://slideplayer.com/slide/4180809/ ( 未完待續 )