灯柱现象是冰晶对光的反射造成的。
2025年5月19日22:30许，杭州上空出现了一座“天上的街市”。从网友Lottery拍到的照片里，可以看到一条条道路组成的光带漂浮在夜幕中，如幻似真。这些光影不是凭空虚构的。把这些光带镜像反转一下，就会发现，它竟然是杭州市中心地图！这种现象是怎么发生的呢？
图片来源：微博网友动图来自 Bright0574，原图来自 Lottery
这幕奇景是大自然表演的一场光影秀，它的名字叫做“暖夜灯柱”。我们说“把这些光带镜像反转一下”，其实无意中触碰到了真相：它的成因，正是天空中出现了一面大镜子。
大镜子是怎么来的？
这面“镜子”不像我们生活中随处可见的镜子那样是一整块玻璃，而是由许许多多细碎的小冰晶组成的。这些小冰晶由水蒸气在高空中遇冷凝结而成，尺寸从几十微米到几百微米不等。大部分冰晶是六棱柱形，共有8个面，其中2个底面平行，6个侧面围成正六边形。虽然都叫作“六棱柱形”，但有的名副其实，有的则看起来扁扁的，与其说是柱，还不如说是把柱切成了片。这些片状的冰晶，就是这场大自然光影秀的主角。
冰晶概念图（并非显微照片） 来源：豆包生图
当冰晶在空气中下落时，会倾向于以阻力最大的姿态慢慢下落。比如六棱柱如果偏长，是个明显的柱形，就会横卧在空中，而如果偏短像个薄片，则会“用脸兜风”。所以，当高空的对流层偶尔宁静下来的时候，众多冰晶片会缓缓下落，而底面基本上都与大地平行，那种景象就像是完成表演之后正在收队的无人机群。这些姿态一致的冰晶片，在几千米外的高空组成一个巨大的镜面，我们从下往上看，所在城市的街道灯光也就现身空中了。
灯柱的“柱”是怎么来的？
“灯”明白了，为什么叫“柱”呢？
其实只有“大镜子”正下方的人看到的灯火倒影才是点点勾勒的城市地图，而远处的人们从侧面望去，却看到一道道光柱竖立在空中。究其原理，是因为空中的冰晶重重叠叠，不止最底一层在反光。如果观众离一盏灯10公里，那么在二者正中间5公里处的上空，不同的高度上，每层冰晶都向观众反射出这盏灯的影像。这些影像合成一道立在空中的光柱，光柱下端指向的，就是这盏灯真实的位置。
灯柱的光学原理·作者绘制
那为什么只有在特定的天气下，杭州才能“上天”呢？原来，大部分情况下，对流层大气运动复杂多变，高空的风向难以捉摸，会吹得冰晶的姿态也乱七八糟，很难做到方向一致。这样一来，要同时满足高空存在大量冰晶和高空气流相对宁静这两个条件很不容易，所以暖夜灯柱的现象十分罕见，“画地图”级别的更是稀有。5月19日晚间，杭州的天气如下图所示，是在水汽已经就位，而强对流还未发生的前夕：
2025年5月19日晚间杭州天气来源微博
而过去比较著名的一次“画地图”级别的暖夜灯柱，出现在2020年5月10日晚间的厦门。那天下午，当地经历了一场雷暴，强对流天气把大量水汽送上高空，傍晚时雷暴主体消散，但高空风速较低，气流稳定，于是在夜空中也出现了暖夜灯柱，投射出“天上街市”的盛景。
2020年5月10日厦门出现的暖夜灯柱·来源东南早报
灯柱只会出现在“暖夜”吗？
杭州，厦门，5月，晚上，我们从这些线索中很容易可以发现“暖夜”的要素，但灯柱并不只会出现在“暖夜”中。实际上，在寒夜里，不仅可以看雪飘过，还有机会目睹更壮观的景色，那就是“寒夜灯柱”。这种现象比暖夜灯柱多见一些（但也很稀有），成因同样是宁静稳定的空气中悬浮着大量冰晶片。
而在寒夜里，这种天气条件相对容易满足，并且从低空到高空都允许冰晶片大量存在。因此，寒夜灯柱往往是一道道光柱直冲云霄的样子，很容易被当成极光。尽管画风各有千秋，但冷夜灯柱仍然与暖夜灯柱原理是一样的。看来，就算天气不羁放纵爱自由，但怎么变物理规律都不会变……
2022年12月28日内蒙古海拉尔寒夜灯柱·来源中国天气网
灯柱现象是冰晶对光的反射造成的。除了反射之外，冰晶还会玩折射、衍射、散射各种本领，制造晕、华、幻日、宝光、环天顶弧、环地平弧、虹彩幞状云、云巅闪光这些令人眼花缭乱的光学魔术。这些大气光学现象很好看，藏在背后的科学原理，就更加有趣了。
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