日晕（尤其是最常见的22°晕环）的形成是一个令人惊叹的大气光学现象，其核心在于高空卷云中的六角形冰晶对阳光的折射。其科学原理可以分解如下：
必备条件：卷云与冰晶
- 卷云： 形成日晕的云通常是高云族的卷云（Cirrus），它们位于距离地面6000米以上的高空。这里的温度非常低（通常在-15°C以下），水以固态冰晶的形式存在，而不是液态水滴。
- 六角柱状冰晶： 卷云中包含大量微小的冰晶。这些冰晶在特定的温湿度条件下生长，最常见的形状是六角柱体（像一个微小的六角形铅笔）。它有六个矩形的侧面和两个六边形的端面（顶面和底面）。这种规则的几何形状是形成特定角度晕环的关键。
核心过程：光的折射
- 折射定义： 当光从一种介质（如空气）进入另一种密度不同的介质（如冰）时，其传播方向会发生偏折，这种现象称为折射。
- 冰的折射率： 冰对可见光的折射率大约在1.31左右（空气≈1）。这意味着光进入冰晶时会向法线方向偏折，离开冰晶时则会远离法线方向偏折。
- 特定的光路：22°晕的成因
- 对于22°日晕，起主导作用的光路是：光线从一个六角柱冰晶的侧面（矩形面）射入，然后从相邻的另一个侧面（相隔60°角的矩形面）射出。
- 在这个过程中，光线在冰晶内部经历了两次折射：一次进入冰晶，一次离开冰晶。两次折射的方向改变叠加起来，使得入射光与最终出射光之间的夹角（偏向角）发生显著变化。
- 最小偏向角： 物理学原理（斯涅尔定律）表明，对于特定的棱镜角度（这里是60°）和特定的折射率（冰≈1.31），存在一个最小偏向角。当光线以特定的角度入射并通过棱镜对称传播时，其总的偏向角最小。对于60°棱角（即六角柱相邻侧面的夹角）和冰的折射率，这个最小偏向角约为22°。
- 为什么是环状？ 空中的冰晶是随机取向的。想象一下，有无数个微小的、方向各异的60°冰棱镜悬浮在空中。虽然每个冰晶的方向不同，但所有那些恰好能将光线偏折约22°（最小偏向角附近）的冰晶，它们贡献的光线会形成一个以太阳为中心、半径为22°的圆锥面。站在地面的观察者看到的是这个圆锥面与天空相交形成的圆形光环，这就是22°晕环。
颜色的产生：色散
- 色散原理： 冰（像玻璃一样）对不同颜色（波长）的光具有略微不同的折射率。紫光（短波长）折射得比红光（长波长）更厉害。
- 晕环的色彩： 在形成22°晕的光路中，这种折射率的差异导致了色散。由于最小偏向角原理，红光在最小偏向角附近被偏折的角度略小于紫光。
- 颜色排列： 因此，在22°晕环上，通常可以看到内侧（靠近太阳一侧）呈淡蓝色或蓝绿色，外侧呈淡红色或橙色。不过，由于晕环整体亮度较弱，颜色通常比较柔和、暗淡，有时肉眼难以清晰分辨颜色，呈现为白色光晕，但仔细看或拍照后增强对比度通常能观察到色散现象。注意： 有时描述为“内红外紫”，这与观察者看到的晕环位置和光路方向有关。在标准的22°晕中，由于红光偏折角最小，它更靠近晕环的内边缘（离太阳更近），蓝紫光更靠近外边缘（离太阳稍远）。所以更准确的描述是内（太阳）侧偏红，外（远离太阳）侧偏蓝。
总结日晕（22°晕环）的形成步骤：
存在条件： 高空中存在由大量微小六角柱状冰晶组成的卷云。
阳光照射： 太阳光照射到这些冰晶上。
特定折射： 部分光线遵循特定的路径：从一个侧面（矩形面）射入，从相隔60°角的相邻侧面射出。
最小偏向角： 这种60°棱镜光路导致光线发生偏折，其最小的偏向角约为22°。
随机取向形成光环： 由于冰晶在空中随机取向，所有满足“最小偏向角≈22°”条件的光线，会围绕太阳形成一个22°半径的圆锥面，在地面上看就是一个以太阳为中心的22°半径的圆形光环。
色散显色： 冰的色散作用使得不同波长的光偏折角度略有不同（红光最小偏向角略小于紫光），导致晕环内侧（靠近太阳）偏红，外侧偏蓝。
关键点强调：
- 冰晶形状是基础： 六角柱状冰晶及其60°棱角是形成22°固定角度的核心。
- 折射是机制： 光线在进出冰晶侧面时发生的两次折射造成偏折。
- 最小偏向角是关键： 物理学的最小偏向角原理决定了这个偏折角被“锁定”在22°附近。
- 随机取向成环： 冰晶方向随机，使得符合条件的光线形成环状。
- 色散带来色彩： 不同颜色的光折射率不同导致晕环呈现颜色（内红/黄，外蓝/绿，但通常较淡）。
因此，当你看到天空中出现一个围绕太阳的、大致22°半径的彩色（或白色）光环时，那正是高空卷云中无数微小的六角冰晶，如同亿万片精心排列的棱镜，将阳光精确地折射并汇聚到你的眼中，展现出大自然精妙的光学杰作。
