在天空晴朗的日子里，当我们看太阳时，通常只会看到一个令人眼花缭乱的光球。但每隔一段时间，大气层就会给我们一点惊喜，让我们看到一个罕见而又陌生的景象。
图注：业余摄影师雷切尔·佩里（RachelPerry）用摄影方法捕捉到了壮观的景象，她在弗吉尼亚海滩日出后大约一个小时就看到了这种不寻常的光学现象。来自弗吉尼亚海滩的业余摄影师雷切尔·佩里（RachelPerry），在年4月21日，在弗吉尼亚州海滩的海岸观测到了一种罕见的天文现象。日出后大约60分钟，美国东部时间上午7:33左右，观测到从太阳的顶部和底部发射出多个锥形光耀斑，且在在两边形成22度的弧。
这种罕见的天文现象，被称为太阳光柱。那么，是什么原因导致了在日出后不久产生了这种罕见的“太阳光柱”现象呢？
图注：太阳通常被建模为完美的黑体，但这仅仅是一个粗略的近似。实际上，有一系列表面会发出我们观察到的光，这些表面是许多黑体的总和，其顶部具有吸收和发射特征。如果我们只需要探讨太阳发出的光，这种光学现象将永远不会发生。太阳发出一组迷人的光，我们可以粗略地把它模拟成一个黑体：一个完美的吸收体，它被加热到一个特定的温度，在那里它辐射出能量。这是一个很好的近似，但是科学做得比这个近似还要好。
太阳实际上并不是一个无空隙的、完全吸收的物体，而是从其脆弱的外层的许多不同表面发出光。这很重要，因为内层的温度比最外层的温度高，因此将太阳建模为一系列黑体的总和更为准确，如我们在上图所看到的那样。此外，太阳包含各种各样的原子，这些原子吸收特定频率（如下）的光，这意味着实际上离开太阳的光中存在“间隙”。
图注：太阳的可见光谱，不仅帮助我们了解其温度和电离，而且还了解存在的元素的丰度。长而粗的线是氢和氦，但其他每条线都来自重元素。此处显示的许多吸收线彼此非常接近，显示出精细结构的证据，该结构可以将两个简并能级分解为紧密间隔但彼此独立的能级。当太阳光穿过空旷的空间时，当它从太阳向全方位辐射时，这种光只是以球形传播。如果我们生活在一个完全没有大气层的世界上，这正是我们所观察到的光：与太阳本身发出的光相同。
但我们生活在地球上，至少对天文学家来说，这就像从游泳池的底部观察整个宇宙。即使在晴朗的天气里，我们的大气也会吸收、散射或反射大量的阳光。被吸收的光被重新辐射为红外光；散射光会不同程度地影响不同的波长光并使天空变蓝。反射的光返回太空。然而，撞击我们大气层的大部分阳光都会穿透大气层，这就是我们在完全晴朗时所观察到的太阳光。
图注：大气透射窗与波长的关系。相同的吸收特征使我们很难从地球表面测量宇宙，这将使遥远的外星人无法检测到我们的大气成分。请注意，即使大气在很大程度上（但不是全部）是透明的可见光，仍会阻止大部分入射太阳光到达地球表面。现在，我们必须再增加一层复杂性来理解发生了什么：我们大气的特性。如果认为我们的大气是4份氮1份氧，恭喜你答对了，因为这正是地球大气的大部分组成部分。其中大约有1%的氩，还有微量的二氧化碳、甲烷和其他气体。
但大气中也含有水蒸气：数量庞大（约1-2%），随时间和特定条件而变化。此外，大气中也存在严重的温度梯度，当我们将水蒸气注入混合物中时，这会非常有趣。在某个时刻，温度将使水不再停留在气相中，或者冷凝成液滴（形成我们熟悉的云）或一直进入固相，形成冰。
图注：在电子显微镜下，一个边缘为六边形的冰晶显示出其结构复杂性，在分子水平上无法完美复制这样的雪晶。然而，由于水分子的键合角，六角面是冰晶的一个近乎普遍的性质。虽然我们可能会想到冰雹或雨夹雪形式的大气冰，但实际上更常见的是，特别是在非常高的海拔地区，非常小的晶体在大气中形成。这些晶体看起来不像我们习以为常的复杂雪花，而是优先形成六边形：由少量水分子构成的冰晶最常见的形状之一。
所有六边形冰晶的顶点都有相同的角度，这会导致任何照射到它的阳光都有相同的反射角度。在大气中起作用的那些相同的光学性质——折射、反射、透射、散射等等——仍然出现在这些冰晶中，但其结果更加引人注目。六边形的对称性可以形成长柱（称为柱）或薄板，但它们的每个面之间都有相同的角度。
图注：如图所示定向的平板晶体和水平定向的柱晶体都可能导致光柱现象。然而，只有当太阳（或光源）非常接近或低于地平线时，平板晶体才能有效地做到这一点。例如，如果太阳在地平线以上6到20度之间，柱状晶体就需要产生光柱。当这些晶体形成时，它们总是比空气重，这对所有形式的冰都是正确的。当这些冰晶开始下落时，它们被空气阻力减缓，空气阻力和冰晶本身之间的特定平衡，将决定它们相对于我们视线的方向。板状晶体通常像叶子一样向下漂移，大的面平行于地面，而柱状晶体通常水平定向。
然而，当阳光照射到这些晶体上时，它总是使光线以一组可预测的角度反射出去，而我们只能观察到刚好与我们的眼睛成直角的光线。这通常只表现在三个方面：
一个巨大的光晕，与太阳（从随机取向的晶体）以特定的分离角度（22°）分离一根光柱，由平板晶体（当太阳离地平线很近时）或柱晶体（当太阳稍高时）的垂直反射产生，或者是这两种效果的结合，水平晶体反射光晕垂直部分的光线，产生被称为太阳狗的“闪光”光晕效果。
图注：在右侧看到的类似彩虹的效果是由于非常高的冰晶影响了太阳狗的光学现象，它本身是由该图像中围绕太阳的22度光晕上方和下方特别定向的冰晶引起的。太阳本身看起来完全是白色的，而冰和水的结合会在其右侧产生彩虹效果。这张照片拍摄于日出后一小时左右，这一事实表明，主要的柱状效应主要是由于柱状晶体在太阳表面位置的上方和下方穿过大气层而形成的。考虑到事件发生的日期、时间和地点，这张照片拍摄时太阳大约在地平线上9度。
对各种光柱（不仅包括太阳柱，还包括由于月球或任何其他，甚至是人造光源而形成的类似光柱）的光学特性的研究告诉我们，当太阳位于地平线以下或非常接近地平线（在6°范围内）时，由薄片晶体形成的光柱，当太阳处于较高的位置（高出地平线20°）时，水平定向的柱状晶体主要负责柱状结构。因此，观察到的柱状物的主要原因可能是柱状晶体。
图注：围绕太阳本身的椭圆光晕，以及太阳上下延伸的垂直柱，都是由大气中的冰晶引起的现象的例子，这些冰晶位于太阳和我们视线中的观察者之间。不过，有些“光线”效果肯定是由于相机本身造成的，我们可以从照片底部水边发出的光线来判断。在这里拍摄到的这个特殊的太阳光柱的迷人之处，在于它伴随着一种更为罕见的光学现象：椭圆光晕。椭圆光晕很少可见，是我们在大气中观察到的最难理解的光学现象之一。在太阳周围一次可以看到三个椭圆环，但通常它们完全消失在太阳的强光下。
虽然我们不知道是什么导致了这些椭圆光晕，但一种引人入胜的方法，通过光线追踪来模拟可能导致这种光学现象的原因。与六角形平板或柱状晶体不同，其中一些晶体可能存在缺陷：顶面和底面并非完全平坦，而是略呈金字塔形，其角度与理想平坦度仅相差1°至3°。
图注：与柱状或板状六边形（顶部或底部有平面）略呈金字塔形（顶点角度与完美平面的夹角仅相差1°至3°），可以解释在这张图片中看到的围绕太阳的椭圆晕。这是一种没有明确原因的光学现象。但我们也必须谨慎，把这里看到的光学现象%归因于大气。通常，特别是在拍摄像太阳这样明亮的物体时，相机本身的部件内部会产生内部反射和光学效果。我们在这样的照片中看到的许多光线可能不会出现在我们的眼睛里；当我们注意到水的反射发出的光线时，这一点就变得清晰了，因为人们只能在照片中看到，而不能通过眼睛直接观察到。
尽管如此，柱状和椭圆光环绝对是真实的，摄影师很幸运能够捕捉到它们。不到千分之一的日落和日出都会出现这些罕见的现象；对于每一个亲眼看到或亲身经历过的人来说，这是难得一见的“太阳光柱”现象。
图注：加拿大安大略省上空观察到一系列的光柱，但不是由于太阳或月亮，而是由于地平线下的人造地面光源造成的。光柱是由大气中冰晶的反射造成：同样的现象导致了太阳柱、太阳狗和偶尔在太阳或月亮周围看到的罕见的椭圆光晕。导致光出现在主要光源所在的其他位置的几乎所有大气现象，都是由于大气中的冰晶或水滴造成的。虽然彩虹是因为水滴的这事形成，但我们观察到的几乎所有其他现象都是由于冰晶造成的。光环，柱子，太阳狗，次日光（飞机从与太阳相反的方向看到的明亮的光）和更多的光都来自同一来源：微小的冰晶。
在这里，我们不仅讨论了“太阳光柱”现象，而且还讨论了一组非常罕见的椭圆光晕，这些罕见的现象只有在适当的条件下才有可能被发现。不管是什么原因，它再次提醒我们，只有当我们回归自然时，我们才能欣赏到大自然馈赠给我们的壮丽景观。