「江城如畫裡，山曉望晴空。兩水夾明鏡，雙橋落彩虹。
人煙寒橘柚，秋色老梧桐。誰念北樓上，臨風懷謝公。」
秋登宣城謝朓北樓——李白
自古許多名人雅士都喜歡歌詠天上的彩虹，孩子們也總愛在雨後的戶外，對著天邊那一抹絢爛多彩興奮不已。是什麼原因讓平白無奇的陽光，幻化成色彩鮮豔的虹橋呢？除了彩虹，你還見過天空中有哪些光學現象呢？
平常我們眼睛看到的陽光雖然近似白色，但實際上陽光是由紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫等不同顏色與波長的光線組成。當陽光通過介質時，每種波長的光線在介質中前進的速度均不同，光線行進速度的差異會造成折射角的不同，以致使光線產生分離現象，稱為色散現象（Dispersion）。許多大氣的光學現象，如虹、霓、暈、華等，都與自然光源產生色散有關。
虹與霓（Primary and Secondary Rainbow）
下雨過後，雲層遠去、陽光重現，此時大氣中充滿無數球狀的小水滴，當陽光以不同角度照射這些小水滴時，會在水滴內產生折射與反射等光學作用。由於水的物理性質，陽光在水滴內經過折射與反射後，出射光線與入射陽光夾角在40°～42°的反射強度最大，因此在觀察者視線與地平面呈42°左右的仰角時，可以觀察到虹（Primary Rainbow）的形成，這是陽光在水滴內經過一次反射及兩次折射的結果。由於不同波長光線對水滴的折射率不同，使得紫色光偏折的角度最大，紅色光偏折的角度最小，所以虹的色彩排列是內紫外紅。
虹與霓
霓（Secondary Rainbow）的成因與虹相同，都是陽光通過小水滴時被色散而成；但形成霓的陽光在水滴裡是經過兩次反射及兩次折射，所以霓出現的角度比虹稍高（仰角約50°左右），其寬度約為虹的兩倍，而且由於多一次反射，所以強度（明顯度）只有虹的十分之一，色彩排列則與虹相反，為內紅外紫。
虹與霓形成示意圖
虹與霓是觀察者看見的一種光學現象，因此會隨著觀察者的位置而改變。太陽必須由觀察者的後方以低角度照射，才有機會觀察到虹與霓，如果太陽的角度太大（如正午直射），則大部分的虹將落於地平面以下而無法被我們觀察到。完整的虹與霓為正圓形，觀察者必須在高空才有機會看到，在地面上由於受到地形與角度的關係，所以我們見到的虹與霓是弧形的。此外，小水滴的大小決定了虹與霓的色彩強度與寬度：水滴越大，則色帶寬度越窄，但色彩越鮮明；反之，則色帶寬度越寬而色彩黯淡。
事實上，除了虹與霓之外，陽光在水滴裡還可能經過三次或四次反射，形成三次虹（The Third-order Rainbow）或四次虹（The Fourth-order Rainbow），它們則出現在與太陽同一側的天空；此時由於陽光強烈，所以很難被觀察到。
暈（Halo）
「暈」是陽光或月光穿越懸浮在大氣中的冰晶，經過折射或反射過程所形成的光學現象。暈通常在太陽或月亮的周圍出現，型態可以是白色或彩色的光環、光弧或光斑，如果是彩色的光環，色彩是內紅外紫的排列。
形成暈的冰晶，一般存在於高空的卷層雲中。這些冰晶的類型、晶體排列方向、冰晶的移動與太陽仰角等眾多因素，決定暈的型態。常見的暈有22°暈（circular halo）、光柱（light pillar）與幻日（sun dog）。
- 22°暈（22° Halo）與46°暈（46° Halo）
22°暈又稱小暈（Small Halo），為陽光在柱狀六角形冰晶內，經過60°夾角的兩個相鄰晶面兩次折射後形成的內紅外紫光環，在以太陽為中心、觀察者視線夾角22°的方向可以看到。46°暈又稱大暈（Large Halo），是陽光經過冰晶內90°夾角的兩個相鄰晶面折射而形成，在以太陽為中心、觀察者視線夾角46°的方向可以看到。
22°暈與46°暈形成示意圖
- 光柱（Light Pillars）
「暈」是光線在冰晶內折射而形成，「光柱」則是因為光線反射在與地平面幾乎平行的冰晶面上而形成。光柱通常發生在日出或日落時（或者月升月落時），當太陽（或月亮）低於水平面仰角6°、或甚至低於地平面時，可以觀察到從光源延伸向上（或向下）的發光薄柱，便是光柱。
陽光形成的光柱（圖片來源：NOAA Photo Library）
- 幻日（Parhelion或Sundog）
幻日是陽光被盤狀六角形冰晶折射與散射，因而在22°暈光環上、與太陽同水平高度所出現的兩個太陽虛像，也是在日出或日落時出現。同樣情形出現在月亮上，稱之為幻月。
幻日形成示意圖
在現代氣象學發展之前，「暈」這一類的大氣現象，常作為經驗法則的氣象預測基礎。像是古人說「月暈而風，礎潤而雨」，這是因為月暈由高空卷層雲的冰晶折射而成，卷層雲通常出現在冷暖空氣交界之不穩定區的前方，所以觀察到暈的形成表示天氣即將轉為不穩定的雲雨型態。至於「日暈」，在天氣晴朗時通常不會超過半小時；如果日暈持續超過兩小時，則可能是天氣惡化的前兆。
南極的日暈（Solar halo）（圖片來源：NOAA Photo Library）
華（Corona）
當天空中的自然光體，如太陽、月亮、金星等的光線，穿過帶有細小水滴或是微粒冰晶的薄雲層、或是霧狀玻璃表面時，光線會產生繞射現象（diffraction）。此時，因繞射作用而產生的光，彼此之間將相互干擾，結果在自然光體周圍形成內紫外紅的彩虹光環，這種光環稱之為「華」。完整的華應該是數個圍繞在光體四周的彩色同心光環，中心明亮的區域稱為光輪（Aureole），光輪通常是華最清晰可見的部分。「華」一般出現在中低空有薄雲層時，雲層內的水滴大小會影響「華」的型態：水滴大小相近時，「華」的光環是鮮明的圓形，反之則模糊不清；水滴的直徑，則與華的半徑成正比。在太陽周遭出現的「華」，我們稱為日華（Solar Corona），在月亮周圍出現的稱為月華（Lunar Corona）。
日華的顏色排列跟霓一樣，靠近太陽的內圈偏藍紫色，外圈則偏紅橙色。日華的觀測不易，主要是因為陽光太過強烈的緣故，但我們可以透過一些方式遮蔽強烈的陽光來觀察日華，例如在林蔭間透過葉片遮蔽陽光來觀測日華；或在陽光較微弱時（如日出或是日落），觀察被物體（山體、建築物或路燈）遮住的太陽；也可以用物品遮擋水中反射的陽光，觀察在水面反映出來的日華。
由於月光較為微弱，於是顏色黯淡的月華，反而較常被看見；尤其在月圓之夜並出現高積雲、卷積雲或莢狀雲的雲層時最容易觀察到。
月華（Lunar corona）
若是天空布滿片狀、不規則的薄雲層，「華」便無法形成完整的彩色光環，於是呈現不規則形狀的雲彩，稱做彩雲（Iridescent Clouds）。
光學現象——彩雲（圖片來源：NOAA Photo Library）
「華」跟「暈」的主要差別，在於「華」是光線穿越細小水滴或細小冰晶，因繞射作用而形成的光象；而「暈」是光線穿過較大冰晶，受到折射作用所形成的光象。
我們所觀察到的每一種光象，其形成原因都代表不同的天氣狀況，每一種光象其實都具有大氣科學的意涵，能夠提供相當多的氣象資訊，下次當你看到這些光學現象時，就能了解當時的大氣狀況了。
