月亮周圍為什麼會出現小小的彩色光環？
― 雲滴越小，光環就越大
秋夜賞月時，透過薄雲看月亮，有時會浮現模糊的彩色光環。這種現象叫做「光冠」。是光線繞過雲中微小水滴的邊緣而產生的。有趣的是，水滴越小，光環反而越大。
中秋或十三夜的晚上，抬頭看月亮時，薄雲飄了過來。
本以為月亮會被遮住，結果月亮周圍卻暈出一圈圓形的光，內側泛著青白色，外側是赭紅色。雲一動，光環也跟著忽大忽小。
你可能會想起「月亮戴帽，隔天會下雨」的說法。不過，這個小小的光環和「月暈」是不同的東西。
原因只有兩個
月光打在雲中的水滴上時，會稍微繞過水滴邊緣而擴散開來。這種繞射現象叫做「衍射」。擴散開的光波，彼此疊加增強的方向和互相抵消減弱的方向，會以月亮為中心排列成一圈一圈的環。
光線繞過的角度，水滴越小就越大。此外，波長較長的紅光彎曲的幅度也比較大。因此光環外側會偏紅，而且水滴大小越一致的雲，顏色也會越鮮明。
接下來依序說明。最後也會介紹和「月暈」的分辨方法。
水滴讓光「繞了個彎」
雲是由直徑約百分之一毫米的微小水滴聚集而成。月光並不是只會直直穿過水滴之間的縫隙。因為光是一種波，會在水滴邊緣稍微轉向而擴散開來。
這就像池面上的波紋繞過木樁另一側一樣。繞過去的波，有些地方波峰疊波峰而變亮，有些地方波峰疊波谷而變暗。那些變亮和變暗的方向，就會形成環繞月亮的同心圓。
請試著用圖1的滑桿改變雲滴的大小。把水滴調小，就能看到光環明顯變大。
有些雲顏色鮮明，有些雲卻看不出顏色
光繞過時的角度，也會因光的顏色而不同。波長較長的紅光，彎曲幅度比波長較短的藍光更大。因此青白色光圈外側會鑲上赭紅色邊緣，再往外依序排列著綠色和紅色的環。
不過，只有在雲滴大小一致時，才能看到清晰的彩色光環。如果水滴大小參差不齊，每顆水滴形成的光環大小就不一樣，會互相重疊。顏色混在一起，月亮周圍只會變得模糊發白。
水滴大小比較容易一致的，是剛形成的薄雲。高空中排列成魚鱗狀的雲，或是流動快速的雲的邊緣，都是不錯的觀察對象。用同樣的原理，雲本身發出彩色光芒的現象，就叫做「彩雲」。
俗語說的「月暈」，是光線在高空的冰晶中折射而形成的環，半徑固定約22度，大約是伸直手臂、張開手掌的大小。光冠則緊貼在月亮周圍，半徑只有幾度。紅色出現的位置也相反：月暈是內側偏紅，光冠則是外側偏紅。
當杉樹或檜木花粉大量飄散的日子，太陽周圍有時也會出現光冠，稱為「花粉光環」。由於花粉的大小相當一致，顏色往往特別鮮明。直視太陽會傷害眼睛，請用建築物或電線杆遮住太陽後再觀察。
總結
月亮周圍出現的小小彩色光環，就是光線繞過雲中水滴邊緣而產生的「光冠」。水滴越小，光線彎曲的幅度越大，光環也就越大。觀察光環的大小，就能推估那些遙不可及的雲滴究竟有多大。
環繞月亮的光環大小，
就是測量雲滴大小的一把尺。
關於光以波的形式擴散的故事，也可以參考霧中的白色彩虹、透過雨傘布看路燈時光線排列成格狀的現象，以及圓形陰影正中央出現亮點的現象。
- 薄雲遮住月亮時，觀察月亮周圍是否有青白色的光與赭紅色的邊緣。
- 伸直手臂、豎起大拇指，數一數光環的半徑大約是幾個大拇指寬（約2度）。
- 隨著雲的流動，比較光環的大小和顏色鮮明程度是否有變化。
光環越大，代表那片雲的水滴越小。如果光環有手掌那麼大，那就不是光冠，而是冰晶形成的「月暈」。
想了解更多 ― 術語、公式與教科書的對應從國中自然到大學專業科目，明確標示這是哪個層級的內容
- 國中國中自然課會學到的範圍
- 高中高中「物理」會學到的範圍
- 高中＋高中的延伸內容，或教科書專欄介紹的內容
- 大學高中不會教、屬於大學專業科目（光學、大氣光學）的內容
- 研究即使在大學裡也還不算「定論」、是研究者目前正在探討中的內容
國中術語：這個現象是有名字的
- 光冠：月亮或太陽周圍，因雲中水滴等原因形成的小型彩色光環。
- 衍射：波繞過障礙物邊緣或縫隙而擴散開來的現象。聲波和水面波也會發生。
- 月暈：光線穿過冰晶時折射彎曲，形成半徑約22度的環的現象。和光冠是不同的東西。
國中高中用公式驗證：光環的半徑是多少度？
以直徑千分之10毫米（10微米）的雲滴為例，估算綠光形成的光環半徑。再把角度換算成月亮視直徑的倍數，更容易有實際感受。
| 用符號表示 | θ ≒ 1.22 × λ ÷ d （θ 為弧度） |
| 用文字表示 | 光環半徑角度 ＝ 1.22 × 光的波長 ÷ 雲滴直徑 |
| 公式的來源 | 這是求出「繞過水滴邊緣的光波恰好互相抵消」方向（也就是第一個暗環）所得到的公式。圓形水滴所形成的衍射圖案，和同樣大小的圓孔相同。 |
| θ | 光環半徑的角度（弧度。1弧度約等於57.3度） |
| λ | 光的波長（單位為微米。綠光約為0.55） |
| d | 雲滴直徑（單位為微米） |
| 1.22 | 圓形物體所特有的係數（由圓形衍射決定的數值） |
| 綠光的波長 | 約0.55微米 |
| 雲滴直徑（範例） | 約10微米 |
| 1弧度換算成度 | 約57.3度 |
| 月亮的視直徑 | 約0.5度 |
| 係數 × 波長 | 1.22 × 0.55 ≒ 0.671 |
| 除以水滴直徑（弧度） | 0.671 ÷ 10 ≒ 0.0671 |
| 換算成度 | 0.0671 × 57.3 ≒ 3.84 |
| 相當於幾個月亮直徑 | 3.84 ÷ 0.5 ≒ 7.7 |
| 若水滴減半（5微米） | 3.84 × 2 ≒ 7.7 |
| 月暈（22度）是光冠的幾倍 | 22 ÷ 3.84 ≒ 5.7 |
直徑10微米的水滴，光環半徑約3.8度，相當於近8個月亮並排的長度。水滴若減半，光環就會擴大為2倍，約7.7度。月暈則還要再大上約6倍，一眼就能分辨。
高中高中＋波的衍射與顏色分離的原因
高中高中物理會學到波在縫隙或邊緣處繞過的「衍射」，以及波重疊後互相增強或減弱的「干涉」。光冠正是這兩種現象同時發生的例子。從公式也能看出，波長較長的紅光會形成較大的光環。
高中＋水滴雖不是孔洞而是「遮擋物」，卻會形成和同樣大小的孔洞相同的衍射圖案。這叫做「巴比涅原理」。因此，原本用於圓孔衍射的公式，可以直接套用在雲滴上。
大學夫朗和斐衍射與艾里斑
遠方傳來的平行光線繞過一個小圓時，會形成「夫朗和斐衍射」圖案。中心的亮圓稱為「艾里斑」，其邊緣的角度即為 1.22 × λ ÷ d。光冠的青白色光圈，正是這個現象投映在天空中的樣子。當水滴大小接近波長而變得更小時，這個近似就不再適用，需要用「米氏散射」理論才能精確計算。
📖 公式的推導與更深入的內容：艾里斑（日文維基百科） ／ 夫朗和斐衍射（日文維基百科）
研究目前還不清楚的事
- 冰晶也能形成光冠嗎？ 曾有報告指出，高空中的微小冰晶也能形成光冠，目前正在研究這種現象發生的條件。
- 花粉光環的形狀。 據說花粉形成的光冠，有時不是正圓形，而是扭曲變形的。這與花粉的形狀及排列方向一致性之間的關係，目前仍在研究中。
- 利用光冠測量雲滴大小。 有人嘗試從光環大小和顏色來推估水滴大小。不過，究竟能讀出多少水滴大小的差異，相關研究仍在持續進行。
也就是說，這篇文章的內容，也是「目前已知範圍內」的說明。光環大小的公式，也只是水滴大小一致、呈圓形時的估算值。
與教科書的對應（依層級分類）
| 層級 | 科目・單元 | 本文對應段落 |
|---|---|---|
| 國中 | 自然「光的性質」「雲的形成」 | 雲是微小水滴的集合、光的顏色差異 |
| 高中 | 物理「波的衍射與干涉」 | 繞過水滴邊緣的光、紅光形成較大光環 |
| 高中＋ | 物理延伸「巴比涅原理」 | 水滴與孔洞形成相同圖案 |
| 大學 | 光學・大氣光學 | 夫朗和斐衍射、艾里斑、米氏散射 |
| 研究 | 大氣光學・雲物理學 | 冰晶形成的光冠、花粉光環的形狀、水滴大小的推估 |
| ― | 與生活的連結 | 賞月之夜，分辨光冠與月暈 |
- 光冠（日文維基百科）
- 柴田清孝『光の気象学』（光的氣象學）朝倉書店
- M. Minnaert, "Light and Color in the Outdoors", Springer
- D. K. Lynch, W. Livingston, "Color and Light in Nature", Cambridge University Press
※本文為大眾科普解說。文中數值皆為幫助理解原理的參考估算值。觀察太陽周圍的光冠時，請勿直視太陽。