“毅力”号发现：火星上的 22 度晕！

原文标题：《“毅力”号新发现：火星上的 22 度晕！》

在地球时间 2021 年 12 月 15 日，正在火星表面执行任务的“毅力”号火星车拍摄到几张罕见照片，显示火星上也能看到由特殊的冰云折射阳光形成的光学现象 ——22 度晕。这是人类探测器第一次在地球以外的地方观测到这种现象。

来自美国科罗拉多太空科学研究院（Space Science Institute）的科学家 Lemmon（注意，不是柠檬）等人组成的科研团队于 2022 年 8 月在美国著名地球物理研究刊物 Geophysical Research Letters 上发表了这一发现。

“晕”及其分类

晕（yùn），也叫光环（halo）、白虹，是一种大气光学现象。晕是由于光线（日光、月光）通过富含冰晶微粒的云雾散射而形成的光弧、光圈或光斑，根据形状和出现位置的差异可以分为 22 度晕、46 度晕、日柱、幻日（近 / 远）、环天顶弧、环地平弧等等。不同种类的晕观测难度各不相同，通常而言，22 度晕最为常见，其余种类的晕亮度偏弱，或者因为观测角度问题，往往需要更多条件才能观测到，有时甚至成为某些“奇观”进入新闻。

为什么叫 22 度晕呢？这是根据晕的“视角半径”来命名的。在良好的气象条件下，大气中纯净的冰晶颗粒多为六棱柱形（Schaefer，1949），根据几何光学推算，当光线从六棱柱某一侧面进入，再经过折射从另一侧面射出，折射角大约就是 22 度。46 度晕情况则是光线从六棱柱侧面进入后经过折射再从顶 / 底面射出，或者正好反过来从顶 / 底面进侧面出，折射角约为 46 度。由于自然情况下冰晶多以侧面对着阳光，光线多侧进侧出，而很少经过顶 / 底面，因此 22 度晕比 46 度晕要强得多，也更容易观测到。

其他种类的晕也是由光线经过六棱柱或复杂六棱柱组合体的折射产生的效果。大气中冰晶的形状分布和排列方向往往不是随机的，而是带有一定排布规律或主导成分，在某些特定天气情况和地点，来自某个方位的折射光变得更强，对应的光学现象也就更加明显。

中学时期我们曾在《唐雎不辱使命》一文中了解到一个不祥之兆 —— 白虹贯日。这里所说的天象其实就是幻日弧。它正好穿过太阳，与 22 度晕环相交产生幻日（假日，sun dog），因此得名。现代我们应该了解到这是一个可以用光学原理解释的科学现象，并非什么不祥之兆。

幻日有时特别明亮，以至于和真正的太阳不相上下，仿佛天上出现了好几个太阳一般，因此得名。在晴朗的冬日，大气中富含细小而干净的冰晶颗粒，22 度晕和幻日弧异常清晰，交错之处的幻日也变得明亮无比，因此才成为奇观。

日柱则是竖直方向出现的晕，仿佛一道穿越太阳的光柱。

当太阳高度角很低时（32 度以下，太阳居于很偏的位置，如冬季、黄昏），可以看到环天顶弧（circumzenital arc，也叫“日载”）。

如果视野足够开阔清晰，太阳高度角也较高（58 度以上，太阳在更接近头顶的位置，如盛夏、中午），而且所处纬度不超过 58 度，可以看到环地平弧（“日承”，parhelic circle）。

上切弧或外切弧是位于 22 度晕上方相切处的光晕，有时在上切弧上方还有一条接近平行于 22 度晕的弧线，称为“派利弧”，由英国探险家威廉・派利爵士（1790-1855）首次发现并详细描述。

火星上很少有“晕”

了解完地球上的晕，我们再将视角转到火星。为什么火星上很少出现“晕”呢？历史上曾经有多个火星车如好奇号、机遇号等等着陆并且长时间工作，但是从来没有拍到过一次日晕现象。火星虽然大气稀薄，但也有云，只不过其中的主要成分不光有水，还有一些干冰。火星上多发沙尘暴等恶劣天气，能够稳定显示冰晶散射的气象条件比较罕见。最关键的是，此前很多研究表明，火星大气缺乏形成大尺寸规则六棱柱形冰晶颗粒的条件，而“晕”的产生需要比可见光波长大得多的六棱柱冰晶颗粒，这样才能满足几何光学近似。

Cooper（2020）参考了好奇号等火星车的观测数据，获得了一些六棱柱冰晶存在的证据，但是这些冰晶数量极其稀少。“毅力”号意外拍到的光晕使得科学家得以确定火星上同样存在大颗粒冰晶云，对火星气候和火星上冰云的形成、分布特点有了新的认识。

参考资料

• [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]. 盛裴轩等.大气物理学（第 2 版）. 北京大学出版社，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

本文来自微信公众号：石头科普工作室 （ID：Dr__Stone），作者：思空

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