环天顶弧是什么？比日晕更罕见的大气光学冷门知识

它是什么？

位置与形状： 它出现在太阳正上方的高空中，围绕着天顶（即你头顶正上方的点）。它呈现为一个短而明亮的彩色圆弧，其凹面朝向太阳，看起来像一个倒挂的微笑（因此得名“天空的微笑”）。 颜色： 它的颜色非常鲜艳饱和，光谱排列顺序与彩虹相反：弧的最外侧（靠近太阳的一侧）是红色，最内侧（远离太阳的一侧）是蓝色（或紫色）。颜色比彩虹更纯净明亮。 成因： 和日晕、幻日等一样，环天顶弧也是由悬浮在大气高层（通常是卷云或卷层云）中的六边形板状冰晶折射阳光形成的。

• 关键冰晶： 必须是水平取向的平板状冰晶（冰晶像小盘子一样平躺着下落）。
• 光线路径： 阳光从冰晶的顶面（水平面）射入，然后从侧面（一个垂直面）射出。
• 折射： 光线在进出冰晶时发生两次折射（弯曲），就像通过一个棱镜。不同波长的光（颜色）弯曲程度不同（色散），从而分离出光谱色。
• 观察角度： 只有当观察者、冰晶和太阳处于特定的相对角度时，折射出来的彩色光才能进入你的眼睛，形成可见的弧。

为什么说它比日晕更罕见？

冰晶取向要求更严格：

• 日晕（22度晕）： 形成于随机取向的六角柱状冰晶。冰晶方向杂乱无章也能产生。
• 环天顶弧： 必须由水平取向的平板状冰晶形成。冰晶需要非常平整且稳定地水平飘浮，这种条件相对更难完美满足。

太阳高度角限制严格：

• 环天顶弧只有在太阳高度角在15度到25度之间（大约）时才能形成且可见。
• 太阳太低（如日出日落时），光线路径不符合要求；太阳太高（如中午），形成的弧会位于天顶之上甚至被地平线遮挡（或亮度不足），难以观察。
• 因此，最佳观测时间通常是上午较晚时分或下午较早时分。
• 相比之下，22度日晕对太阳高度的要求宽松得多，只要太阳在地平线以上（尤其高于32度时更明显），且云中有冰晶就可能出现。

云层条件： 需要薄而均匀的卷云或卷层云，其中恰好含有大量水平取向的平板冰晶。这种特定的云层结构不如产生日晕的云层常见或稳定。 亮度和位置： 虽然环天顶弧非常明亮，但它位于太阳正上方的高空，人们通常习惯于平视或稍仰视观察天空，容易忽略头顶正上方的现象。而日晕是围绕太阳的环，更容易被注意到。 持续时间： 由于对太阳高度角要求严格，即使条件合适，环天顶弧可见的时间窗口也相对较短（可能只有几十分钟），而日晕可能持续数小时。

与日晕的主要区别：

特征 环天顶弧 (CZA) 22度日晕 位置 太阳正上方高空，围绕天顶 环绕太阳，半径约22度 形状 短圆弧 (小于1/4圆周)，凹面向太阳 (微笑) 完整的或大部分圆周的环 颜色 鲜艳饱和，外红内蓝 (光谱顺序反向) 通常内侧红，外侧淡蓝，整体较柔和/发白 成因冰晶 水平取向的平板状冰晶 随机取向的六角柱状冰晶 太阳高度 严格限制 (约15-25度) 范围较宽 (地平线以上，尤其>32度明显) 罕见程度 更罕见 相对常见 俗称 天空的微笑、倒挂彩虹 日晕

总结：

环天顶弧是大气光学现象中一颗璀璨但低调的明珠。它由特定取向（水平）的平板冰晶在特定太阳高度角（15-25度）下折射阳光形成，呈现出位于天顶附近、色彩鲜艳倒序排列的短圆弧。其形成条件比常见的22度日晕更为苛刻（冰晶取向要求严格、太阳高度窗口窄），因此相对罕见得多。下次在上午晚些时候或下午早些时分，看到薄薄的卷云时，别忘了抬头看看头顶的天空，也许就能幸运地捕捉到这个“天空的微笑”！它常常与日晕、幻日等其他冰晶现象同时出现。