在天空晴朗的日子裡，當我們看太陽時，通常只會看到一個令人眼花繚亂的光球。但每隔一段時間，大氣層就會給我們一點驚喜，讓我們看到一個罕見而又陌生的景象。
圖註：業餘攝影師雷切爾·佩裡（Rachel Perry）用攝影方法捕捉到了壯觀的景象，她在維吉尼亞海灘日出後大約一個小時就看到了這種不尋常的光學現象。來自維吉尼亞海灘的業餘攝影師雷切爾·佩裡（Rachel Perry），在2020年4月21日，在維吉尼亞州海灘的海岸觀測到了一種罕見的天文現象。日出後大約60分鐘，美國東部時間上午7:33左右，觀測到從太陽的頂部和底部發射出多個錐形光耀斑，且在在兩邊形成22度的弧。
這種罕見的天文現象，被稱為太陽光柱。那麼，是什麼原因導致了在日出後不久產生了這種罕見的「太陽光柱」現象呢？
圖註：太陽通常被建模為完美的黑體，但這僅僅是一個粗略的近似。實際上，有一系列表面會發出我們觀察到的光，這些表面是許多黑體的總和，其頂部具有吸收和發射特徵。如果我們只需要探討太陽發出的光，這種光學現象將永遠不會發生。太陽發出一組迷人的光，我們可以粗略地把它模擬成一個黑體：一個完美的吸收體，它被加熱到一個特定的溫度，在那裡它輻射出能量。這是一個很好的近似，但是科學做得比這個近似還要好。
太陽實際上並不是一個無空隙的、完全吸收的物體，而是從其脆弱的外層的許多不同表面發出光。這很重要，因為內層的溫度比最外層的溫度高，因此將太陽建模為一系列黑體的總和更為準確，如我們在上圖所看到的那樣。 此外，太陽包含各種各樣的原子，這些原子吸收特定頻率（如下）的光，這意味著實際上離開太陽的光中存在「間隙」。
圖註：太陽的可見光譜，不僅幫助我們了解其溫度和電離，而且還了解存在的元素的豐度。長而粗的線是氫和氦，但其他每條線都來自重元素。此處顯示的許多吸收線彼此非常接近，顯示出精細結構的證據，該結構可以將兩個簡併能級分解為緊密間隔但彼此獨立的能級。當太陽光穿過空曠的空間時，當它從太陽向全方位輻射時，這種光只是以球形傳播。如果我們生活在一個完全沒有大氣層的世界上，這正是我們所觀察到的光：與太陽本身發出的光相同。
但我們生活在地球上，至少對天文學家來說，這就像從遊泳池的底部觀察整個宇宙。即使在晴朗的天氣裡，我們的大氣也會吸收、散射或反射大量的陽光。被吸收的光被重新輻射為紅外光；散射光會不同程度地影響不同的波長光並使天空變藍。反射的光返回太空。然而，撞擊我們大氣層的大部分陽光都會穿透大氣層，這就是我們在完全晴朗時所觀察到的太陽光。
圖註：大氣透射窗與波長的關係。相同的吸收特徵使我們很難從地球表面測量宇宙，這將使遙遠的外星人無法檢測到我們的大氣成分。請注意，即使大氣在很大程度上（但不是全部）是透明的可見光，仍會阻止大部分入射太陽光到達地球表面。現在，我們必須再增加一層複雜性來理解發生了什麼：我們大氣的特性。如果認為我們的大氣是4份氮1份氧，恭喜你答對了，因為這正是地球大氣的大部分組成部分。其中大約有1%的氬，還有微量的二氧化碳、甲烷和其他氣體。
但大氣中也含有水蒸氣：數量龐大（約1-2%），隨時間和特定條件而變化。此外，大氣中也存在嚴重的溫度梯度，當我們將水蒸氣注入混合物中時，這會非常有趣。在某個時刻，溫度將使水不再停留在氣相中，或者冷凝成液滴（形成我們熟悉的雲）或一直進入固相，形成冰 。
圖註：在電子顯微鏡下，一個邊緣為六邊形的冰晶顯示出其結構複雜性，在分子水平上無法完美複製這樣的雪晶。然而，由於水分子的鍵合角，六角面是冰晶的一個近乎普遍的性質。雖然我們可能會想到冰雹或雨夾雪形式的大氣冰，但實際上更常見的是，特別是在非常高的海拔地區，非常小的晶體在大氣中形成。這些晶體看起來不像我們習以為常的複雜雪花，而是優先形成六邊形：由少量水分子構成的冰晶最常見的形狀之一。
所有六邊形冰晶的頂點都有相同的角度，這會導致任何照射到它的陽光都有相同的反射角度。在大氣中起作用的那些相同的光學性質——折射、反射、透射、散射等等——仍然出現在這些冰晶中，但其結果更加引人注目。六邊形的對稱性可以形成長柱（稱為柱）或薄板，但它們的每個面之間都有相同的角度。
圖註：如圖所示定向的平板晶體和水平定向的柱晶體都可能導致光柱現象。然而，只有當太陽（或光源）非常接近或低於地平線時，平板晶體才能有效地做到這一點。例如，如果太陽在地平線以上6到20度之間，柱狀晶體就需要產生光柱。當這些晶體形成時，它們總是比空氣重，這對所有形式的冰都是正確的。當這些冰晶開始下落時，它們被空氣阻力減緩，空氣阻力和冰晶本身之間的特定平衡，將決定它們相對於我們視線的方向。板狀晶體通常像葉子一樣向下漂移，大的面平行於地面，而柱狀晶體通常水平定向。
然而，當陽光照射到這些晶體上時，它總是使光線以一組可預測的角度反射出去，而我們只能觀察到剛好與我們的眼睛成直角的光線。這通常只表現在三個方面：
一個巨大的光暈，與太陽（從隨機取向的晶體）以特定的分離角度（22°）分離一根光柱，由平板晶體（當太陽離地平線很近時）或柱晶體（當太陽稍高時）的垂直反射產生，或者是這兩種效果的結合，水平晶體反射光暈垂直部分的光線，產生被稱為太陽狗的「閃光」光暈效果。
圖註：在右側看到的類似彩虹的效果是由於非常高的冰晶影響了太陽狗的光學現象，它本身是由該圖像中圍繞太陽的22度光暈上方和下方特別定向的冰晶引起的 。太陽本身看起來完全是白色的，而冰和水的結合會在其右側產生彩虹效果。這張照片拍攝於日出後一小時左右，這一事實表明，主要的柱狀效應主要是由於柱狀晶體在太陽表面位置的上方和下方穿過大氣層而形成的。考慮到事件發生的日期、時間和地點，這張照片拍攝時太陽大約在地平線上9度。
對各種光柱（不僅包括太陽柱，還包括由於月球或任何其他，甚至是人造光源而形成的類似光柱）的光學特性的研究告訴我們，當太陽位於地平線以下或非常接近地平線（在6°範圍內）時，由薄片晶體形成的光柱，當太陽處於較高的位置（高出地平線20°）時，水平定向的柱狀晶體主要負責柱狀結構。因此，觀察到的柱狀物的主要原因可能是柱狀晶體。
圖註：圍繞太陽本身的橢圓光暈，以及太陽上下延伸的垂直柱，都是由大氣中的冰晶引起的現象的例子，這些冰晶位於太陽和我們視線中的觀察者之間。不過，有些「光線」效果肯定是由於相機本身造成的，我們可以從照片底部水邊發出的光線來判斷。在這裡拍攝到的這個特殊的太陽光柱的迷人之處，在於它伴隨著一種更為罕見的光學現象：橢圓光暈。橢圓光暈很少可見，是我們在大氣中觀察到的最難理解的光學現象之一。在太陽周圍一次可以看到三個橢圓環，但通常它們完全消失在太陽的強光下。
雖然我們不知道是什麼導致了這些橢圓光暈，但一種引人入勝的方法，通過光線追蹤來模擬可能導致這種光學現象的原因。與六角形平板或柱狀晶體不同，其中一些晶體可能存在缺陷：頂面和底面並非完全平坦，而是略呈金字塔形，其角度與理想平坦度僅相差1° 至3°。
圖註：與柱狀或板狀六邊形（頂部或底部有平面）略呈金字塔形（頂點角度與完美平面的夾角僅相差1° 至3°），可以解釋在這張圖片中看到的圍繞太陽的橢圓暈。這是一種沒有明確原因的光學現象。但我們也必須謹慎，把這裡看到的光學現象100%歸因於大氣。通常，特別是在拍攝像太陽這樣明亮的物體時，相機本身的部件內部會產生內部反射和光學效果。我們在這樣的照片中看到的許多光線可能不會出現在我們的眼睛裡；當我們注意到水的反射發出的光線時，這一點就變得清晰了，因為人們只能在照片中看到，而不能通過眼睛直接觀察到。
儘管如此，柱狀和橢圓光環絕對是真實的，攝影師很幸運能夠捕捉到它們。不到千分之一的日落和日出都會出現這些罕見的現象；對於每一個親眼看到或親身經歷過的人來說，這是難得一見的「太陽光柱」現象。
圖註：加拿大安大略省上空觀察到一系列的光柱，但不是由於太陽或月亮，而是由於地平線下的人造地面光源造成的。光柱是由大氣中冰晶的反射造成：同樣的現象導致了太陽柱、太陽狗和偶爾在太陽或月亮周圍看到的罕見的橢圓光暈。導致光出現在主要光源所在的其他位置的幾乎所有大氣現象，都是由於大氣中的冰晶或水滴造成的。雖然彩虹是因為水滴的這事形成，但我們觀察到的幾乎所有其他現象都是由於冰晶造成的。光環，柱子，太陽狗，次日光（飛機從與太陽相反的方向看到的明亮的光）和更多的光都來自同一來源：微小的冰晶。
在這裡，我們不僅討論了「太陽光柱」現象，而且還討論了一組非常罕見的橢圓光暈，這些罕見的現象只有在適當的條件下才有可能被發現。不管是什麼原因，它再次提醒我們，只有當我們回歸自然時，我們才能欣賞到大自然饋贈給我們的壯麗景觀。