太阳周围的冰晶光环

离太阳 22° 的一圈光

晕是围着太阳（或月亮）的一圈光，半径约 22°，差不多是伸直手臂时张开手掌的宽度。它出现在卷层云里：这种云在六千米以上的高空，冷到几乎全是冰晶，薄得能看见太阳的轮廓。

在欧洲和美国的一些地方，平均每周能看到两次晕，比彩虹常见得多。只是它离太阳近，人们很少朝那里看。

模型：雪原上一个人面向太阳，玻璃罩里画出他看到的天空

每个冰晶都是一个棱镜

卷层云里的冰晶大多是六棱柱：六个侧面，两个底面，小的只有几十微米。光从一个侧面进入，从隔一个的侧面离开。这两个面的延长线夹成 60°，所以它们对这束光来说就是一个 60° 的棱镜。

光进入冰时偏向法线，离开时再偏一次，方向总共转过一个角度，叫偏向角。

分步拆开：一束光穿过一个六棱柱

光挤在偏转最少的方向

偏向角随光射入的角度变化，但有一个最小值。冰的折射率约 1.31，60° 棱镜的最小偏向角是 21.8°。转动转台，屏上的光点先向里移，到 21.8° 停下，再往回走。

最小值附近，偏向角变化得最慢：入射角差很多，出射方向却几乎一样。云里的冰晶朝向各不相同，它们把光送到 21.8° 附近的最多，比它更小的角度一点也送不到。所以晕有一个清楚的内边，里面的天空反而更暗。

演示台上的光斑散开了 6 倍，好让颜色分得开；真实的只有约 0.6°

内圈是红色

冰对紫光的折射率比对红光大一点：700 纳米处约 1.307，400 纳米处约 1.319。所以红光的最小偏向角最小，约 21.6°，紫光约 22.6°。

晕的内边因此是红色的，往外依次是橙和黄。再往外，各种颜色叠在一起，变成发白、略带蓝的光。

幻日：太阳两边的光斑

薄片状的六角冰晶下落时，会像落叶一样把大面放平。这时所有冰晶的侧面都是竖直的，光只能在水平方向上被偏转，于是不再形成一整圈，而是在太阳两侧、与太阳同样高的地方形成两个亮斑：幻日。

太阳越高，光斜着穿过冰晶，等效的折射率变大，幻日离太阳越远：太阳在地平线上时是 21.9°，升到 20° 时是 23.1°，到 40° 时是 27.7°。太阳超过约 61° 时，光再也穿不出来，幻日就没有了。

更多的弧

同样平放的片状冰晶，光也可以从上面的底面进入、从侧面离开。这两个面成 90°。它在天顶附近画出一段彩色的弧，叫环天顶弧，红色在靠太阳的一侧。只有太阳低于约 32° 时它才出现，太阳在 22° 左右时最亮。

柱状冰晶下落时长轴放平，在 22° 晕的顶上画出一段向上弯的弧，叫上切弧；太阳升到约 29° 以上，它和下切弧连成一个围住晕的椭圆。冰晶竖直的面像镜子一样反射阳光，画出一圈与太阳同高的白色水平环，叫幻日环。光穿过侧面和底面（90°）时形成 46° 晕，比 22° 晕暗得多，也少见得多。

为什么不是每片云

需要的是冰晶，而且是形状规整、表面平整的冰晶。低处的云大多是小水滴，水滴是圆的，不会形成晕；厚云又把太阳挡住。所以晕多出现在薄而高的卷层云里，极冷的地方也会出现在贴近地面的冰晶（钻石尘）里。冰晶的形状和朝向决定了能看到哪一些：乱转的冰晶给出 22° 晕，平放的片状冰晶给出幻日和环天顶弧，平放的柱状冰晶给出切弧。

晕和彩虹不同。彩虹来自雨滴，光在水滴里反射一次，人要背对太阳，彩虹的中心在太阳正对面，半径约 42°，红色在外。晕来自冰晶，光只折射、不在里面反射，人要面向太阳，中心就是太阳，红色在里。