太陽の柱: 天の蜃気楼と光の戯れ

太陽の柱: 氷の結晶と太陽の光の間のゲーム

太陽柱は、太陽の上または下に昇って見える垂直の光の柱です。これらは、大気中に浮遊する小さな氷の結晶での光の反射によって生じ、空気が非常に冷たい日の出や日没時によく観察されます。

この現象は、板または針の形をした氷の結晶での光の鏡面反射に基づいています。それぞれの結晶は水平に向けられた顕微鏡の鏡のように機能します。柱の見かけの高さは、水平線に対して角度 \(\theta\) での反射光線の投影によって与えられ、明るさは整列した結晶の数に比例します。

光柱は太陽観測に限定されません。同様の現象は、月や人工光源の周囲でも発生する可能性があります。これらの効果は、「天体の蜃気楼」という用語に分類されることが多く、大気中の密度と光屈折率の局所的な変化によって生じます。

輝く蜃気楼の形成は、温度勾配における光の屈折に依存しています。暖かい空気の層が冷たい空気の上にあると、光線が徐々に曲がり、その結果、光源の像が歪んだり、増幅されたり、複製されたりします。これらの画像の見かけの高さと形状は、見る角度と大気の層によって異なります。

特定の極端な条件では、太陽柱がハローや環天頂アークと結合して、複雑な光のパターンを作り出すことがあります。これらの相互作用は、さまざまな種類の氷の結晶 (柱には水平プレート、垂直アーチまたは斜めアーチには柱) での反射と屈折現象の重ね合わせの結果です。

これらの蜃気楼で観察される光の強度の変化は、氷の結晶の濃度と方向にも影響されます。多数の完全に配向した結晶は非常に明るい光の柱を生成することができますが、散乱した結晶は拡散した柱と部分的なハローを生成します。

天体の蜃気楼は、地元の大気の状態を研究するための自然なツールとなります。関連する柱やアーチの高さと明るさを分析することで、氷の結晶の平均サイズや大気の下層の温度勾配を推定することができます。

光柱の特徴と出現条件
ピラータイプ	光源	トレーニング	大気の状態
古典的な太陽柱	太陽	水平方向の氷の結晶の反射	非常に冷たい空気、浮遊した結晶
月の柱	月	同様の反射だが輝度が低い	寒い夜、氷の結晶
人工柱	都市の明かり	結晶や細かい水滴の反射	霧や霜
光る蜃気楼	太陽または月	温度勾配における屈折	顕著な熱反転