大氣折射：改變天空景象的5種奇妙方式
大氣折射是指光線在地球大氣中發生彎曲，它會改變地平線附近天體的外觀。例如，它能讓月亮看起來扁扁的，或讓我們在太陽的幾何位置已經低於地平線時，仍然看見太陽。
想親眼看看嗎？使用Sky Tonight中的日曆，查找太陽或月亮在你所在地何時、從哪裡升起或落下，然後留意地平線附近的這些現象。接下來，我們將了解大氣折射的成因，以及它改變天空景象的五種奇妙方式——從扁平的落日到難以捕捉的綠閃。
內容
1. 扁平的太陽
辨識大氣折射最簡單的方法之一，是觀察落日照片。太陽有時不是一個完美的圓，而像是被壓扁的橢圓。這是因為來自太陽下緣的光比上緣的光折射得更強。
當太陽接近地平線時，來自其下緣的光會穿過更稠密的大氣層，沿著折射更強的路徑傳播。因此，下緣向上偏移的幅度大於上緣。結果是太陽的視垂直直徑變小，而水平直徑幾乎不變。
當地平線附近各層空氣的溫度差異很大時，這種效果可能格外顯著。溫差會讓陽光不均勻地彎曲，使太陽圓盤看起來被拉長、分成幾段，甚至出現重影。
一個特別有趣的例子是歐米伽太陽：落日看起來像希臘字母Ω。大氣折射在真實太陽下方形成倒立的太陽影像，兩個影像在地平線附近看起來合在一起，便產生了這種形狀。
自己試試看： 比較一張太陽靠近地平線時的照片和一張太陽位置較高時的照片，形狀差異可能相當明顯。拍攝或觀測太陽時，務必使用合適的太陽濾鏡和安全的觀測方法。
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2. 日出提前，日落延後
一個令人驚訝的事實是：當你在日出時看見太陽最先露出的邊緣，整個太陽的幾何位置可能仍在地平線以下。大氣折射使陽光彎曲，讓太陽看起來比真實位置更高。日落時也一樣，即使太陽的幾何位置已經降到地平線以下，它仍可能被看見。
在罕見情況下，這種效果會非常明顯。例如，北極探險者在1597年報告了新地島效應。強烈的逆溫現象，也就是近地面的冷空氣上方覆蓋著暖空氣，能讓陽光沿地球曲率彎曲，使太陽在極夜正常結束之前就變得可見。太陽還可能顯得異常拉長，或分裂成水平條帶。
自己試試看： 把一枚硬幣放在空的不透明杯子底部。降低視線，直到杯緣完全擋住硬幣。保持頭部不動，慢慢往杯子裡倒水，硬幣就會逐漸出現在視野中！這是因為來自硬幣的光從水進入空氣時發生折射，即使杯緣仍擋著直接看向硬幣的路線，光線也能到達眼睛。類似地，地球大氣會讓陽光彎曲，使我們在太陽已經低於地平線時仍能看見它。
大氣折射會讓白晝延長多久？
與地球沒有大氣的情況相比，大氣折射讓太陽看起來提前幾分鐘升起，並延後幾分鐘落下。具體差值取決於緯度、季節和大氣條件。
還有一個重要細節：日出和日落以太陽上緣在地平線出現或消失的時刻為準，而不是以太陽中心為準。
天文計算通常會考慮兩個因素：
- 大氣折射： 在地平線附近約為34′。
- 太陽視半徑： 約為16′。
兩者相加，就解釋了為什麼計算日出和日落時，通常取太陽幾何中心位於地平線以下約50′的位置（0.83°）。
這也解釋了春分和秋分的一個有趣特點。雖然人們常說分日有12小時白天和12小時黑夜，但大多數地點的白晝實際上略長於12小時。大氣折射延長了太陽可見的時間，而以太陽上緣定義日出和日落，又進一步延長了白晝。
3. 扁平的月亮
月亮也是觀察大氣折射的好目標。滿月升起或落下時，有時會明顯變扁，尤其是下緣。
原理與太陽相同：月亮下半部向上偏移的幅度比上半部更大。大氣條件還可能讓月緣看起來起伏不平、不規則，或出現異常變形。
自己試試看： 找一處地平線清晰、無遮蔽的地點，觀察滿月升起或落下。留意月亮是否略微變扁，邊緣是否不規則。隨著月亮升高，月盤應該會更圓，變形也會減少。
大氣折射會讓月亮看起來更大嗎？
不會！這是關於大氣折射最常見的誤解之一。
月亮靠近地平線時常常顯得很大，尤其是在建築、樹木或山峰上方時。不過，這種被稱為月亮錯覺的現象，主要與大腦如何解讀視覺資訊有關。
普通的大氣折射不會放大月亮，只會在地平線附近略微壓縮它的垂直直徑。因此，下次看到地平線上巨大的月亮時，請記住：它看起來很大主要是一種錯覺，而變扁的形狀才是真實的大氣效應。
自己試試看： 在滿月剛升起後拍一張照片，同一晚等它升高後再拍一張。使用同一台相機和相同焦距，不改變兩張影像的大小，然後比較月亮的水平與垂直直徑。在通常情況下，月亮的寬度幾乎不變，但靠近地平線時高度較小。變扁呈現了折射的作用，而寬度幾乎不變，則說明我們熟悉的「地平線上的巨月」印象是一種錯覺。
4. 位置偏移的恆星
由於大氣折射，恆星看起來會比其幾何位置略高。這種效果在地平線附近最強，恆星甚至可能在幾何位置已經低於地平線時，仍然保持可見。
這種偏移通常很小，不足以大幅改變熟悉的星座形狀，但對精密天文測量卻很重要。
大氣折射也會略微改變天體在合相期間的視角距離，尤其是當天體高度不同時。它還會影響掩星等遮掩現象的精密觀測。
5. 綠閃
與大氣折射有關的奇妙現象之一是綠閃，也就是太陽上緣短暫出現綠色光芒，有時能在日出或日落時看到。
綠閃通常不像《神鬼奇航》中那種戲劇性的強烈閃光。更多時候，它只是太陽上緣的一小塊綠色光斑，或一條與太陽分離的綠帶。常見類型持續約一兩秒，不過某些罕見類型可持續約15秒。
雖然綠閃最常與太陽聯繫在一起，但月亮以及金星、水星等明亮行星的邊緣也會出現綠閃。這些閃光更難觀測，不過已有照片紀錄。
綠閃為什麼會出現？
陽光包含不同顏色，地球大氣對每種顏色的折射程度略有不同。藍光和綠光等較短波長的光，比波長較長的紅光折射得更強。這種因折射差異而產生的顏色分離，稱為大氣色散。
日落時，紅光和黃光先消失在地平線以下，因為它們折射得較弱。綠光彎曲得更多，所以能多保持一小會兒可見。藍光和紫光的折射更強，但其中大部分已被大氣散射掉。因此，綠色通常是太陽消失前我們最後能清楚看見的顏色。對於最常見的綠閃類型，海市蜃樓會放大原本極細的綠色邊緣，讓它變得可見。更詳細的解釋可參閱這份綠閃科學指南。
怎樣才能看到綠閃？
在以下條件下，最有可能看到綠閃：
- 地平線清晰、無遮蔽，例如海洋上空。
- 大氣比較透明，地平線附近的霾或雲很少。
- 落日在地平線附近顯得異常變形，這可能表示空氣層之間存在有利的溫差。
- 太陽正好即將完全消失在地平線以下。
綠閃也會在日出時出現，但通常更難捕捉，因為你需要準確知道太陽會從哪裡出現。
安全提醒： 切勿盯著明亮的太陽，也不要透過沒有太陽濾鏡的雙筒望遠鏡、天文望遠鏡或相機鏡頭觀測太陽。直接觀測太陽時，請使用經過認證的太陽觀測護具和合適的太陽濾鏡。
還想了解其他奇特的天空現象？探索更多白天可以觀察的天文現象吧。
大氣折射是如何發生的？
地球大氣由密度不同的空氣層組成，通常越接近地面，密度越高。光穿過這些空氣層時，方向會略微改變。我們的視覺把進入眼睛的光理解為沿直線傳播，因此天體看起來比真實位置更高。
這種效果在地平線附近最強，因為光需要穿過更多大氣。在通常條件下，折射可讓地平線處的天體向上偏移約34角分（0.57°），略大於滿月的視直徑。
下表呈現折射如何隨天體的視高度變化，也就是隨它看起來高出地平線的角度變化：
| 視高度 | 近似折射量 |
|---|---|
| 0°（地平線） | 34′ |
| 5° | 10′ |
| 10° | 5′ |
| 20° | 3′ |
| 45° | 1′ |
| 90°（天頂） | 0′ |
數值為近似值。實際折射取決於大氣溫度、氣壓和其他條件。
角分（′）是1度的1/60。想更直觀地理解這些量，可以查看我們的天空距離測量資訊圖。
大氣折射：常見問題
大氣折射會讓恆星閃爍嗎？
會，但屬於間接作用。紊流空氣不斷改變星光的折射方式，讓恆星看起來忽明忽暗。這與使恆星視位置偏移的普通大氣折射有所不同。想了解更多，可以閱讀我們關於恆星為什麼會閃爍的文章。
大氣折射會讓太陽看起來更大嗎？
不會。普通大氣折射通常讓太陽稍微變扁，而不是變大。它使太陽下緣向上偏移的幅度大於上緣。
大氣折射能讓地平線以下的天體變得可見嗎？
能。折射可以彎曲來自幾何位置低於地平線的天體的光，使其進入觀測者的視線。因此，即使太陽的幾何位置已經落到地平線以下，它仍能短暫保持可見。
冬天的大氣折射更強嗎？
不一定，但在其他條件相近時，更冷、更稠密的空氣可能增強折射。效果取決於氣壓、溫度，以及空氣密度隨高度的變化。突變的溫度和逆溫現象也可能產生異常強烈的折射。
為什麼日出和日落不總發生在預測時間？
日出和日落的計算採用平均大氣條件，並假定地平線平坦。實際上，氣溫變化會影響折射，因此即使海面地平線清晰，實際觀測時間也可能與預測相差一分鐘或更多。丘陵、山峰和觀測地點的海拔還會造成更大差異。使用觀星應用程式規劃觀測時，最好提前幾分鐘做好準備。
大氣折射會改變太陽或月亮的顏色嗎？
大氣折射能輕微分離顏色，綠閃就是例子。但太陽和月亮在地平線附近常見的橙色或紅色外觀，主要由大氣散射引起，而不是折射。當陽光或月光穿過更長的大氣路徑時，較短波長的光被更強烈地散射，剩下的光便以暖色為主。
為什麼月亮在月全食時不會消失？
月全食期間，地球擋住了直射月球的陽光。不過，地球大氣會把一部分陽光折射進地影，使其到達月球表面。同時，大氣散射去除了大量藍光，讓月亮呈現紅色。更多內容請參閱我們的月食指南。
太空中會發生大氣折射嗎？
天文折射需要大氣或其他能使光發生折射的介質。在太空真空中，不存在大氣折射。不過，光仍可能因重力而改變方向，這是一種完全不同的現象，稱為重力透鏡效應。
大氣折射支持地平說嗎？
不支持。一些地平說支持者聲稱，大氣折射可以解釋遠處物體為何消失在地平線以下，或太陽為何看起來會落下。但這些解釋不符合光在地球大氣中的實際彎曲方式。折射可以讓物體看起來比真實位置更高，卻不能消除地球曲率的影響。更多證據請看我們的證明地球是圓的7種方法。
大氣折射：重點整理
大氣折射是一種細微但重要的效應，會改變我們眼中的天空。它使天體看起來高於真實幾何位置，讓地平線附近的太陽和月亮變扁，並稍微延長白晝。在特殊條件下，它甚至能形成綠閃等壯觀的光學現象。
對觀星者來說，最實用的規律很簡單：天體離地平線越近，地球大氣對它外觀的影響越強。使用Sky Tonight追蹤天體在天空中的運動。想看折射如何起作用，就觀察地平線附近的天體；想減少影響，就等天體升得更高時再看。
