大气折射：改变天空景象的5种奇妙方式
大气折射是指光线在地球大气中发生弯曲，它会改变地平线附近天体的外观。例如，它能让月亮看起来扁扁的，或让我们在太阳的几何位置已经低于地平线时，仍然看见太阳。
想亲眼看看吗？使用Sky Tonight中的日历，查找太阳或月亮在你所在地何时、从哪里升起或落下，然后留意地平线附近的这些现象。接下来，我们将了解大气折射的成因，以及它改变天空景象的五种奇妙方式——从扁平的落日到难以捕捉的绿闪。
内容
1. 扁平的太阳
识别大气折射最简单的方法之一，是观察落日照片。太阳有时不是一个完美的圆，而像是被压扁的椭圆。这是因为来自太阳下边缘的光比上边缘的光折射得更强。
当太阳接近地平线时，来自其下边缘的光会穿过更稠密的大气层，沿着折射更强的路径传播。因此，下边缘向上偏移的幅度大于上边缘。结果是太阳的视垂直直径变小，而水平直径几乎不变。
当地平线附近各层空气的温度差异很大时，这种效果可能格外显著。温差会让阳光不均匀地弯曲，使太阳圆盘看起来被拉长、分成几段，甚至出现重影。
一个特别有趣的例子是欧米伽太阳：落日看起来像希腊字母Ω。大气折射在真实太阳下方形成倒立的太阳像，两个影像在地平线附近看起来合在一起，便产生了这种形状。
自己试试看： 比较一张太阳靠近地平线时的照片和一张太阳位置较高时的照片，形状差异可能相当明显。拍摄或观测太阳时，务必使用合适的太阳滤镜和安全的观测方法。
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2. 日出提前，日落推迟
一个令人惊讶的事实是：当你在日出时看见太阳的第一缕边缘，整个太阳的几何位置可能仍在地平线以下。大气折射使阳光弯曲，让太阳看起来比真实位置更高。日落时也一样，即使太阳的几何位置已经降到地平线以下，它仍可能被看见。
在罕见情况下，这种效果会非常明显。例如，北极探险者在1597年报告了新地岛效应。强烈的逆温现象，即近地面的冷空气上方覆盖着暖空气，能让阳光沿地球曲率弯曲，使太阳在极夜正常结束之前就变得可见。太阳还可能显得异常拉长，或分裂成水平条带。
自己试试看： 把一枚硬币放在空的不透明杯子底部。降低视线，直到杯沿完全挡住硬币。保持头部不动，慢慢往杯子里倒水，硬币就会逐渐出现在视野中！这是因为来自硬币的光从水进入空气时发生折射，即使杯沿仍挡着直视硬币的路线，光线也能到达眼睛。类似地，地球大气会让阳光弯曲，使我们在太阳已经低于地平线时仍能看见它。
大气折射会让白昼延长多久？
与地球没有大气的情况相比，大气折射让太阳看起来提前几分钟升起，并推迟几分钟落下。具体差值取决于纬度、季节和大气条件。
还有一个重要细节：日出和日落以太阳上边缘在地平线出现或消失的时刻为准，而不是以太阳中心为准。
天文计算通常会考虑两个因素：
- 大气折射： 在地平线附近约为34′。
- 太阳视半径： 约为16′。
两者相加，就解释了为什么计算日出和日落时，通常取太阳几何中心位于地平线以下约50′的位置（0.83°）。
这也解释了春分和秋分的一个有趣特点。虽然人们常说分日有12小时白天和12小时黑夜，但大多数地点的白昼实际上略长于12小时。大气折射延长了太阳可见的时间，而以太阳上边缘定义日出和日落，又进一步延长了白昼。
3. 扁平的月亮
月亮也是观察大气折射的好目标。满月升起或落下时，有时会明显变扁，尤其是下边缘。
原理与太阳相同：月亮下半部向上偏移的幅度比上半部更大。大气条件还可能让月缘看起来起伏不平、不规则，或出现异常变形。
自己试试看： 找一处地平线清晰、无遮挡的地点，观察满月升起或落下。留意月亮是否略微变扁，边缘是否不规则。随着月亮升高，月盘应该会更圆，变形也会减少。
大气折射会让月亮看起来更大吗？
不会！这是关于大气折射最常见的误解之一。
月亮靠近地平线时常常显得很大，尤其是在建筑、树木或山峰上方时。不过，这种被称为月亮错觉的现象，主要与大脑如何解释视觉信息有关。
普通的大气折射不会放大月亮，只会在地平线附近略微压缩它的垂直直径。因此，下次看到地平线上巨大的月亮时，请记住：它看起来很大主要是一种错觉，而变扁的形状才是真实的大气效应。
自己试试看： 在满月刚升起后拍一张照片，同一晚等它升高后再拍一张。使用同一台相机和相同焦距，不改变两张图像的大小，然后比较月亮的水平和垂直直径。在通常情况下，月亮的宽度几乎不变，但靠近地平线时高度较小。变扁体现了折射的作用，而宽度几乎不变，则说明我们熟悉的“地平线上的巨月”印象是一种错觉。
4. 位置偏移的恒星
由于大气折射，恒星看起来会比其几何位置略高。这种效果在地平线附近最强，恒星甚至可能在几何位置已经低于地平线时，仍然保持可见。
这种偏移通常很小，不足以大幅改变熟悉的星座形状，但对精密天文测量却很重要。
大气折射也会略微改变天体在合相期间的视角距离，尤其是当天体高度不同时。它还会影响掩星等遮掩现象的精密观测。
5. 绿闪
与大气折射有关的奇妙现象之一是绿闪，也就是太阳上边缘短暂出现绿色光芒，有时能在日出或日落时看到。
绿闪通常不像《加勒比海盗》中那种戏剧性的强烈闪光。更多时候，它只是太阳上边缘的一小块绿色光斑，或一条与太阳分离的绿带。常见类型持续约一两秒，不过某些罕见类型可持续约15秒。
虽然绿闪最常与太阳联系在一起，但月亮以及金星、水星等明亮行星的边缘也会出现绿闪。这些闪光更难观测，不过已有照片记录。
绿闪为什么会出现？
阳光包含不同颜色，地球大气对每种颜色的折射程度略有不同。蓝光和绿光等较短波长的光，比波长较长的红光折射得更强。这种因折射差异而产生的颜色分离，称为大气色散。
日落时，红光和黄光先消失在地平线以下，因为它们折射得较弱。绿光弯曲得更多，所以能多保持一小会儿可见。蓝光和紫光的折射更强，但其中大部分已被大气散射掉。因此，绿色通常是太阳消失前我们最后能清楚看见的颜色。对于最常见的绿闪类型，蜃景会放大原本极细的绿色边缘，让它变得可见。更详细的解释可参阅这份绿闪科学指南。
怎样才能看到绿闪？
在以下条件下，最有可能看到绿闪：
- 地平线清晰、无遮挡，例如海洋上空。
- 大气比较透明，地平线附近的霾或云很少。
- 落日在地平线附近显得异常变形，这可能表示空气层之间存在有利的温差。
- 太阳正好即将完全消失在地平线以下。
绿闪也会在日出时出现，但通常更难捕捉，因为你需要准确知道太阳会从哪里出现。
安全提醒： 切勿盯着明亮的太阳，也不要通过没有太阳滤镜的双筒望远镜、天文望远镜或相机镜头观测太阳。直接观测太阳时，请使用经过认证的太阳观测护具和合适的太阳滤镜。
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大气折射是如何发生的？
地球大气由密度不同的空气层组成，通常越接近地面，密度越高。光穿过这些空气层时，方向会略微改变。我们的视觉把进入眼睛的光理解为沿直线传播，因此天体看起来比真实位置更高。
这种效果在地平线附近最强，因为光需要穿过更多大气。在通常条件下，折射可让地平线处的天体向上偏移约34角分（0.57°），略大于满月的视直径。
下表展示了折射如何随天体的视高度变化，也就是随它看起来高出地平线的角度变化：
| 视高度 | 近似折射量 |
|---|---|
| 0°（地平线） | 34′ |
| 5° | 10′ |
| 10° | 5′ |
| 20° | 3′ |
| 45° | 1′ |
| 90°（天顶） | 0′ |
数值为近似值。实际折射取决于大气温度、气压和其他条件。
角分（′）是1度的1/60。想更直观地理解这些量，可以查看我们的天空距离测量信息图。
大气折射：常见问题
大气折射会让恒星闪烁吗？
会，但属于间接作用。湍流空气不断改变星光的折射方式，让恒星看起来忽明忽暗。这与使恒星视位置偏移的普通大气折射有所不同。想了解更多，可以阅读我们关于恒星为什么会闪烁的文章。
大气折射会让太阳看起来更大吗？
不会。普通大气折射通常让太阳稍微变扁，而不是变大。它使太阳下边缘向上偏移的幅度大于上边缘。
大气折射能让地平线以下的天体变得可见吗？
能。折射可以弯曲来自几何位置低于地平线的天体的光，使其进入观测者的视线。因此，即使太阳的几何位置已经落到地平线以下，它仍能短暂保持可见。
冬天的大气折射更强吗？
不一定，但在其他条件相近时，更冷、更稠密的空气可能增强折射。效果取决于气压、温度，以及空气密度随高度的变化。突变的温度和逆温现象也可能产生异常强烈的折射。
为什么日出和日落不总发生在预测时间？
日出和日落的计算采用平均大气条件，并假定地平线平坦。现实中，气温变化会影响折射，因此即使海面地平线清晰，实际观测时间也可能与预测相差一分钟或更多。丘陵、山峰和观测地点的海拔还会造成更大差异。使用观星应用规划观测时，最好提前几分钟做好准备。
大气折射会改变太阳或月亮的颜色吗？
大气折射能轻微分离颜色，绿闪就是例子。但太阳和月亮在地平线附近常见的橙色或红色外观，主要由大气散射引起，而不是折射。当阳光或月光穿过更长的大气路径时，较短波长的光被更强烈地散射，剩下的光便以暖色为主。
为什么月亮在月全食时不会消失？
月全食期间，地球挡住了直射月球的阳光。不过，地球大气会把一部分阳光折射进地影，使其到达月球表面。同时，大气散射去除了大量蓝光，让月亮呈现红色。更多内容请参阅我们的月食指南。
太空中会发生大气折射吗？
天文折射需要大气或其他能使光发生折射的介质。在太空真空中，不存在大气折射。不过，光仍可能因引力而改变方向，这是一种完全不同的现象，称为引力透镜效应。
大气折射支持地平说吗？
不支持。一些地平说支持者声称，大气折射可以解释远处物体为何消失在地平线以下，或太阳为何看起来会落下。但这些解释不符合光在地球大气中的实际弯曲方式。折射可以让物体看起来比真实位置更高，却不能消除地球曲率的影响。更多证据请看我们的证明地球是圆的7种方法。
大气折射：要点总结
大气折射是一种细微但重要的效应，会改变我们眼中的天空。它使天体看起来高于真实几何位置，让地平线附近的太阳和月亮变扁，并稍微延长白昼。在特殊条件下，它甚至能形成绿闪等壮观的光学现象。
对观星者来说，最实用的规律很简单：天体离地平线越近，地球大气对它外观的影响越强。使用Sky Tonight追踪天体在天空中的运动。想看折射如何起作用，就观察地平线附近的天体；想减少影响，就等天体升得更高时再看。
