“我说今晚月光那么美,你说是的”

凤凰网

作者:高飏 PN035
2021年11月25日

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评论

对于不常观星的人来说,天空是傍晚朋友圈里的粉色霞光,是飞机划过后留下的两条小尾巴,也是豆瓣“云的赏味期限”小组里一张张温和治愈的云朵写真……然而在天文爱好者看来,天空的美与奇幻远远超过了前述诸多瞬间。

当一朵恰当类型的云从月亮或者行星前面经过时,它们与光线发生奇妙反应,展现出巨大的月晕或者多彩的月华和气辉,甚至还有可爱的“月亮狗”(moondogs)……本文摘自《裸眼观星:零障碍天文观测指南》,借用这份天文爱好者的观星笔记,我们或许可以发现更多天空的奥秘。

观星者自然更喜欢在晴朗的夜晚观赏恒星和行星,但天上不可能永远没有云。你正要欣赏明亮的极光或者罕见的月食,一层云在最不合时宜的时候出现,遮蔽了整个天空——这样的事情哪个观星者没有经历过呢?

尽管偶尔会让观星者无比沮丧,但云朵本身也是令人着迷的。它们形状多变而且永远在移动,你可以一直盯着它们看并且得到乐趣。在恰当类型的云经过月亮或者行星前面的时候,它们可以将光线借来,展现最美的晕、华、假月和光柱。如果有观赏夜空的习惯,你会看到其中的每一种。

在晚上做家务(比如扔垃圾或者给停车道铲雪)的时候,我经常看到巨大的月晕或者多彩的月华。我们接下来要探讨的各种大气现象各不相同,但有一个共同点:它们都是通过小颗粒形成的,这些小颗粒主要是冰晶,也有水珠甚至花粉。

摄影:Marcus Dall Col

晕:平凡而珍贵

我确信,看到满月被巨大的月晕环绕时,很多在夜间外出的人都会不由自主地发出惊叹。你一定会认为这样引人注目的情景很稀有,其实完全不是。晕这种现象一年到头都看得到,但是冬天更常见,因为冬天有更多冰晶飘浮在空气中。月光被高空云中的六棱形冰晶折射,晕就形成了。光照射在冰晶的一面,被折射后来到和第一面成60°角的另一面,再次被折射。

大部分光线离开冰晶时都被弯折了22°。如果有数十亿冰晶参与折射,那么折射光线会分散到以22°为半径的一个朦胧的圆圈上。这就是从月亮到月晕边缘的距离。如果你将这个数字加倍,就得到了直径44°,比四个拳头宽一点。了不起!这比猎户座要长两倍多。一部分光线离开冰晶时弯折得更厉害,达到了50°,但22°就是最小的弯折角度了,所以月晕这个圆圈的外面更亮,圈内更暗。

月晕

折射之后,蓝光的弯折程度比红光大。当光线进入和离开冰晶时也是这样的,所以晕的圆环外侧是蓝色,内侧则有红边。这效果非常微妙,值得仔细观察。晕轮形成于高空的卷云和卷层云中,出现在太阳和月亮周围,经常在暖锋和降雨到来之前出现。你可能听说过一句关于天气的古话:“日晕三更雨,月晕午时风。”这不无道理。

卷层云在空中形成了乳白色的薄纱,日光和月光可以透过来,星光却会被挡住。如果听说暖锋要来,而且夜间会有明亮的月亮,你可以去找一找月晕。如果看到了,就说明接下来的20~24小时可能有雨或雪。根据美国国家气象局的统计,75%的日晕和65%的月晕之后会有降水。

也许你认为22°就很大了,但还有46°的晕,比前者的两倍还大,直径达到92°。这有九个拳头宽!月光从侧面射入六棱形的冰晶,从底面射出时就产生了这样的月晕。数十亿次这样的折射给我们带来了视觉的享受。46°的晕通常比更小的晕要暗一些,极少能在月亮近旁看到,在太阳旁比较容易看到,但也并不常见。只要普通的晕轮出现,你就可以擦亮眼睛,看看有没有46°的版本。

日晕

有一种更常见的现象和月晕相关,叫作环天顶弧,但需要对着满月欣赏,因为满月时月光足够明亮。其他时候,这种美景在太阳附近更容易看到。这条色彩艳丽的弧线看起来就像上下颠倒的彩虹,出现在天顶附近。它的形状让人想起《爱丽丝漫游奇境》里面露齿而笑的柴郡猫。另一个原理相同的现象是环地平弧,这看起来像巨大的彩带,平行于地面,和太阳或月亮相距甚远。你可能在网上看到过有人管它叫“火彩虹”,这个名称会产生误导,因为它跟火和彩虹都没有关系。

假月:月亮也是“铲屎官”

有时候月亮两边会有一对明亮的假月,在英文中,这种现象也叫月亮狗(moondogs)。假月就像宠物一样陪伴在真月亮旁边,所以得到了这个可爱的名字。它们也是由光的折射产生的,但是这一次带来折射的是飘浮着的六边形盘状冰晶。冰晶盘可以平行于地面,像地砖一样排列。月光从一个侧面进入冰晶盘,从另一个侧面射出。两次折射将光线弯曲了22°,并且将光线汇聚在和月亮平行的两侧,形成亮斑。

假月

其实朝向各异的盘状小冰晶都在对光线进行折射,但是我们只看到了那些最终和月亮重合的,以及不小于22°的。假月的内侧泛着红光,外侧泛着蓝光,和月晕的颜色情况相同。

外切晕:天上出现巨大的眼睛

一天晚上,我向上看到木星被套在了月晕里。月晕本身就足够令人惊叹了,如果它套住了明亮的恒星和行星,那景象会更迷人。那晚自然还有更多美景。椭圆形的外切弧紧贴着月晕的顶端和底端,形成了双圆环,看起来就像一只巨大的眼睛,向下看着被月亮照亮的地面。

朝向各异的铅笔形冰晶制造了22°的内晕,同样形状的水平飘浮冰晶则画出了不常见的外切弧。不要把这种晕和更常见的上正切晕弧混淆了。上正切晕弧看起来就像一只张开翅膀的鸟,栖息在22°晕的顶端。有时,你还会看到下正切晕弧出现在晕的底端。两者都是在光线通过水平排列的铅笔形小冰晶时形成的,光线从侧面进入,从与第一个面成60°角的第二个侧面射出。

日晕

另外一种更特殊的光晕是罕见的金字塔形冰晶产生的。它们有很多面,可以制造多个维度的奇特晕轮,一个套着另一个。我只看到过一次——9°和18°的一组迷你光晕塞在一个正常的22°光晕内。有文献称它们比通常认为的更加常见,所以你可以多留意一下。

光柱:社群的支柱

你也许看到过一束浅橙色或白色光线,从紧贴地平线的月亮或太阳直直地升起,那是又一种冰晶造成的现象,叫作光柱。当盘状的冰晶飘向地面时,空气阻力让很多冰晶处于几乎水平的状态,这时光柱就产生了。太阳在低空时,阳光从冰晶底面反射,形成一个长5°~25°的光柱。这一现象在寒冷的清晨或傍晚,太阳或近圆的月亮升起、落下时最容易看到。排列得刚刚好的冰晶会制造出较细的光柱。如果冰晶有一点点倾斜,光柱就会变宽。月亮或者太阳升高,高处的光柱通常会消失。请注意太阳或月亮的下方,那里可能还有类似的光柱出现。

在无云的寒冷空气中形成的冰晶叫作钻石尘。看光柱的时候,如果将手伸出来挡住月亮或者太阳,你就有机会看到钻石尘,那很像灰尘。数年前,在一次观看过程中,钻石尘落到了我的大衣上,它们看起来像微小的雪花,直径1~2毫米。钻石尘是冻成冰的雾,但是非常“薄”,因为冷空气所能保留的水分子是温暖空气的几分之一。不管钻石尘落在哪里、被吹到了哪里,你都可以在那里寻找月亮的光柱。你还可以看车前灯以及任何不受遮挡的灯形成的光柱。有一次,一位朋友急着打电话告诉我外面有一场极美的极光表演。我到外面一看,发现那不过是市中心灯光的光柱!

太阳光柱

如果看到月亮光柱或者灯光柱的时候,金星正好在天上,那你可千万不要错过这罕见的机会,一定要观察一下金星光柱。用裸眼仔细看看这颗行星吧!它是不是被椭圆的光包围着,上方和下方有钉子形状的光?你也可以用双筒望远镜确认一下。

月华:夜空的王冠

华是以太阳或月亮为圆心的彩色小圆盘,中心通常是蓝色,有红色的毛边,周围还有多彩的圆环,就像靶一样。华比晕更常见,有时候还更为壮观。晕是折射形成的,华是光波被极为纤细的水珠分散形成的,这一过程叫作衍射。有的光波相互加强,形成了更亮的光,有的光波相互抵消,造成了暗淡的部分。这个过程有各种颜色参与,最终形成一系列相互嵌套的多彩圆环。红光被衍射到华的外侧,而蓝光填充中间。你可能看到过几次月华,但都没有注意到这一点。月晕由卷云或者卷层云形成,月华则偏爱中等高度到很高处的高积云和卷积云。就像晕一样,最动人的华发生在满月附近。

一天晚上,我在去外面丢垃圾的时候见到了最美妙多彩的多层月华。我不由得停下了脚步,然后跑回家拿相机。薄云快速地飘过月亮,产生了形状和颜色快速变化的月华。我看过很多次月华,但没有一次如此生动和多变。有时人会以为美景见识过一次就够了,殊不知大自然中的每一种景观都有无穷的变化,都值得你为之思考。我们的注意力几乎都在彩虹和晕上面了,但是条件适合的时候,这些小小的靶子也同样撩人。

月华

衍射并不是很罕见的现象,很小的颗粒都可以带来衍射。风中的花粉粒直径大约有0.09毫米,大小正合适。让人打喷嚏的细小花粉会在月亮周围产生椭圆形的奇特月华。大部分月华是圆形的。关键在于,花粉粒和水珠不一样,它们不是球形的,而是有着长长的外形。在晚春或初夏时节满月时,你可以注意观察一下花粉形成的月华。

夜光云:柔和又怪异

每年夏天,我都要列出几个想在夜空中观赏的新对象。云也上过我的列表,这可够奇怪的——哪个观星者想看云呢?相信我吧,我想看的云很特别,它们叫作夜光云或者夜间发光云(Noctilucent Cloud,NLC)。从5月下旬到8月结束,这些多变的物体时不时出现在北方的低空。

NLC远远地躲到了地球大气的中间层,这是一层稀薄的空气,高度为48~85千米。大部分流星都在这一层燃烧殆尽。那里极为寒冷,温度可以降至-90℃。因为极高,在晚上其他云都已经暗淡很久之后,夜光云还能反射阳光。这种云的颜色则由19~30千米高处的臭氧层所决定。在到达我们眼睛的路上,红色和橙色被臭氧层吸收了,我们最终会看到它们闪烁着蓝光。

云的形成需要有物体供水附着。对我们更熟悉的低层大气的云来说,沙漠尘埃、工业粉尘、自然的烟尘、海洋盐分,还有黏土矿物都可以提供这种必要的“核”,让水滴或者冰晶附着其上。卷云是白天可以看到的像羽毛一样拂过天空的云,通常有16千米高,由小冰晶组成。夜光云的高度可以抵达希腊神灵的居所,那是夜深时仍然沐浴在阳光里的80千米高处。这几乎和北极光在同一高度了,极光有时只有96千米高。

夜光云

灰尘升到那样的高度并不容易,科学家怀疑是流星或者彗星的尘埃在这里提供了形成云所需要的小颗粒。其他的来源可能包括火山灰,甚至火箭尾气中的化学物质。在夏天,暴风雨可能将水蒸气从低层大气带到中间层,让它们凝结在来自地球和外太空的灰尘上。这就是NLC主要出现在夏天的原因。

NLC外形奇特,呈柔和起伏的条痕状和卷曲状,在刚刚出现的星光下,闪着怪异的蓝光。在天空暗下来时,夜光云缓缓移动着改变形状,在一段时间里变得更亮。它们主要出现在非常靠北的地方,比如美国北部、加拿大和不列颠群岛,但也曾出现在更往南的地方。在美国北部的夏季,夜光云可能持续存在,直到暮光消失,你甚至有可能在晚上11点30分看到那美景。

气辉:空气也能发光

完全黑暗的夜晚是不存在的,在地球、月球、水星、火星,甚至太阳系任何能够看到夜空的角落都不存在。找到地球上最黑暗的夜空,把张开的手掌对准天空,你还是可以看到五指的轮廓。一旦眼睛适应了黑暗,你大概还可以摸索着前行。

到底是什么让你可以看到手掌呢?忽略人类活动造成的光污染,只考虑自然因素,有几种物体为夜晚的照明做出了贡献。恒星(包括人们尚不认识的星)和银河平面上的尘埃反射的星光至多贡献了1/3的夜间自然光,这比人们以为的要少。

黄道光是夜间的主要光源之一,由太阳系平面上聚集的彗星和小行星尘埃反射太阳光形成。黄道光会随着纬度变化,随着黄道与地平线夹角的季节性变化而变化,随着太阳活动变化。

彩色带状气辉

为夜晚天空中的光亮做出最多贡献的是气辉。在国际空间站拍摄的任何一张夜间照片中,你都可以看到地球的弧线包裹在一层由发光空气组成的绿色薄壳里。和地球两极的椭圆形极光不同,气辉没有差别地覆盖了中纬度地区、赤道地区和两极的天空。

在极光中,来自太阳的电子和质子高速撞击氧气和氮气的分子和原子,将其中的电子激发到更高能级。当电子回到原来的状态时,它们就会发射出绿色和红色的光子。有数以亿万计的原子和分子都参与其中,释放的光可以产生让人惊叹的极光表演。

白天和夜晚都有气辉,它是太阳的紫外线制造的。紫外线非常强大,每个曾经被严重晒伤的人都可以证明这一点。太阳的紫外线在高层大气引发了诸多过程,最终产生了气辉。这些过程包括激发过程和光电离过程。激发过程是指处于激发状态的原子自动或通过与周围原子碰撞回到原来状态的过程。光电离过程发生时,紫外线辐射使电子脱离原子,这个电子被另外的原子俘获时,得到电子的原子会释放光子。

我们可以从照片中看到,最明亮的是激发态的氧原子发出的黄绿光。在95千米高处,紫外线将氧气分子分解成单个原子。单个原子充满了多余的能量,在返回原来状态时发射出绿色的光子。

红色气辉

一年中的任何时候都有可能看到气辉,只要夜晚没有月亮,而且周围足够黑暗。可以说,它的最亮处在地平线以上10°~20°,在更低的地方,气辉的光芒被浓密的大气和尘埃吸收了。在更高的地方,光芒分散,因而更暗。话虽如此,在某些晚上,我也曾看到气辉到达50°的高度。我那次看到的气辉太昏暗,分不清颜色,我只能分辨出模糊的条纹,那有点像羽毛。

看到气辉是件幸运的事。如果真的看到了气辉,你可以正式宣布你那里的黑夜名副其实!

本文节选自

《裸眼观星:零障碍天文观测指南》

作者: 鲍勃·金

译者:秦麦

出版社: 北京联合出版公司

出品方:未读·探索家

出版年: 2018-11

编辑 | 朱皮特

主编 | 魏冰心

图片 | 网络

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