为什么日落时会出现绿光？

　　日落时的绿光，也叫绿闪（Green Flash），是非常罕见的现象，能看到一次应该算是十分幸运了。

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　　Green Flash- It’s Stunning!不过这种奇观的光学原理并不复杂，它和三棱镜分解白光的原理是一样的。

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　　让太阳光通过三棱镜太阳光到达地面，需要穿过地球的大气层，在大气层中会被折射。由于不同颜色（频率）的光折射率不一样，它们就会分散。在白天的大多数时候，由于入射角很小，色散现象并不明显。所以，你白天并不会看到满天彩虹。

　　但是，在日落时，阳光入射角很大，而且阳光需要穿过的大气层也很厚，色散现象就大大增强了。这时候，大气层起到的作用就像一个翻过来的三棱镜。

　　当绿光落到你眼里的时候，你就会在落日上看见绿光了。

　　在日落之前，你就可以在太阳的边缘看见一条绿色的光带。当然，你需要一个不错的望远镜。不过，用望远镜直接观看太阳十分危险，不能忘了加上太阳专用的减光设备。

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　　https://www.youtube.com/watch?v=LWw8z75AXwU但是，真正的绿闪发生在日落的瞬间。这时候，红、橙和黄光已经落入地平线以下，留在地平线以上的还有绿、蓝、紫色的光。而蓝紫光波长较短，在大气层中散射，所以很难看见。这时候能看见的，就是明亮的绿光了。

　　如果幸运的话，你会看见绿光从太阳上面分离出来，悬浮在地平线上。

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　　https://www.youtube.com/watch?v=LWw8z75AXwU上面的图片是日落的最后几秒钟，绿闪出现的一瞬。

　　由于要看到绿闪的条件十分苛刻，所以在传说故事中人们给它赋予了种种神奇的力量。相对来说，在海上看到绿闪的机会要多一些，所以海员们对这种现象比较熟悉。在电影《加勒比海盗》第三集，世界的尽头中，就有这样一段和绿闪有关的情节和一个海盗的传说：日落的最后一瞬，绿光直射天空，表示死者的灵魂将要从冥界回归。

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　　Green Flash - PotC Wiki

　　看到这个问题，想起曾经看过的一部同名电影——侯麦的《绿光》。

　　电影最后，女主坐在海边等待绿光一跃而出的画面让人动容。

　　电影截图凡尔纳甚至还写了一部以《绿光》为题的爱情小说。

　　在文章开头，他借《晨邮报》之口讲述了绿光的神奇之处：

　　“您可曾观察过在海平面落山的太阳？是的，有可能见过。那么，您是否一直观察着它，直到日轮的上半部浸入水面，也就是说它眼看着就要全部消失？毫无疑问，也有可能您这样做过。那么，当天空一片澄净时，您可曾注意到就在这个发光的天体放射出最后的光芒时所发生的现象？没有吧。好的，以后您要一有机会——这种机会可不是很多——来作这样的观察时，您就会发现，撞入您的眼帘的并不是人们所说的红色光线，而是“绿光”，这是一种不可思议的绿色，没有一个画家能够在他的调色板上调制出这种绿色；在自然界，无论是在种类繁多的植物，还是最为清流的海水，它们的色彩没有一个与这种绿色相同！要是天堂上有绿色的话，或许便是这种绿色，它无疑是代表着希望的真正的绿色！”当然，这是一个严谨的科学问题，@Mandelbrot的回答说了很多，我也找了一些资料作为补充。

　　以下资料引用自俄罗斯物理学家、气象学家卡里琴（Н.Н.Калитин）写的《大气中的光学现象 》，文字顺序有调整。

　　卡里琴（1884-1949）由于大气的色散作用（彩虹的形成就是色散作用的效果），当太阳紧靠着地平线时，就被由上而下地分解成为一系列彩色的像。因为太阳的视直径为32'（视直径就是肉眼看见的物体的视角），而地平线附近大气的色散作用为0.57'。所以，太阳因大气的色散作用而伸展的部分仅仅是它本身直径的 64分之一(0.5/32)。下图解释了这种现象，为了简单明了，只用红、绿、蓝三种主要光色（原图黑白印刷，为更形象，重新画了一个）。

　　

　　大气的色散作用把太阳沿垂直方向分解为三个圆盘，各个圆盘的大部分相互重叠，只是边缘略为参差。红色圆盘以实线表示；绿色以虚线表示；蓝色以点线表示。显而易见，只有在上下最边沿的两个月牙形才保留了纯色光；中间的两个月牙形内是由两种色光混成的；而中央的—部分因为是三种色光混成的，仍保留着白色。因此，日没时只留下上面一窄条，它的色光应由白色很快地经过淡青色变成蓝色。蓝光极少出现于大气透明度非常良好的情况。阳光穿过大气时，短波光线——紫光和蓝光被大大减弱，特别是当太阳位于地平线上不高时减弱得更厉害，因此日落时紫光、蓝光（蓝光波长较绿光更短，也就更容易不见）、绿光，常常到不了观测员的眼中，能到达的仅是黄色和红色的光线。结果太阳是发红的，而日落时太阳最后边缘的颜色也没有变化。在比较适宜的条件下，当水平方向上大气的透明度非常好时，绿色光也保留下来，太阳最后边缘的颜色也从黄色(红+绿)变成纯绿色（也就是变成下图，去掉比绿光更不容易看到的蓝光之后的结果）。

　　考夫斯克观象台的天文学家P.A.切豪夫是首先对这个现象做出正确解释的人，他同时研究了绿光存在的时间。由上表可以看出，绿光极为短暂，最长也不过延续3.5秒。春分和秋分时，太阳位于天赤道【注】上，绿光经历的时间最短；而冬至和夏至时，太阳离开天球赤道偏向南北的距离最大，绿光经历的时间最长。

　　【注】：天赤道(celestial equator)是天球上假想的一个大圈，位于地球赤道的正上方。

　　绿光没有看到过，但多年前我还在上小学的某天，确实看到了一个奇幻的现象。傍晚时分，我到山野中闲逛，抬头就看到快要落山的太阳，旁边有两朵白云，不对，是彩云，彩色的，以前没看到过，甚是好奇。这现象一直持续了好久，关键那段时间也没有下雨，不知道是如何形成的。当时也没有手机没有相机，怎么说呢，就是有点像彩虹那样的，哦，后来在动漫里看到突然又想了起来，有点像火影忍者妙木山的奇幻云朵一般，火影动漫，妙木山，奇幻云。但有几个色，再后来就没看到了。

　　原来我的偶像燕姿的歌《绿光》唱的是这个自然现象啊。。。愚昧的我一直以为是极光

　　期待著一个幸运 和一个冲击

　　多么奇妙的际遇

　　翻越过前面山顶 和层层白云

　　绿光在哪里

　　触电般不可思议 像一个奇迹

　　划过我的生命里

　　不同于任何意义 你就是绿光

　　如此的唯一

　　Green Light I'm Searching for You

　　Always 不会却步 喔

　　真爱 不会结束

　　Green Light in My Life

　　遇见了一个传奇 却如此熟悉

　　在天空里的精灵

　　说一声Listen to Me 有一道绿光

　　幸福在哪里

　　触电般不可思议 像一个奇迹

　　划过我的生命里

　　不同于任何意义 你就是绿光

　　如此的唯一

　　Maybe it's a myth I'm seeking you say

　　May be it's a wild dragon chase anyway

　　But still , I'm gonna listen to my heart and try

　　Pack up all my load

　　So long , good-bye

　　啦..........

　　Green Light's Right Here

　　爱永远在你身边

　　身边....身边....

　　Na......

　　这是最美丽的传递

　　在我心里

　　你就是唯一

　　不请自来。

　　这是因为你可能观察到了绿闪现象。这种大气光学现象最容易出现在太阳高度角比较低的时候，是由于大气本身的折射引起的。但是不像其他几个答主所说，解释绿闪的形成不能仅仅依靠三棱镜的大气折射模型[1]，也就是说我们不能把大气想象成一种贴在地球表面附近的一种均匀折射率（或者虽然折射率不均匀但总体比较均匀的）介质来解释绿闪。实际上，绿闪的形成一般需要依靠大气中更加精细的结构（折射率突变层）造成的高度角转换曲线上的极小值。

　　简单说，因为低层大气精细的温度结构对于极低角度的太阳光折射起到主导作用，所以必须考虑。后面的几个可视化会很明显的让你感受到这一点（但这是个很复杂的问题，我这只能说明添加了大气温度结构以后在几何光学层面上会让绿色的光更明显）。

　　按照最简单的均匀模型，大气折射使得太阳不同颜色的像分离，不同颜色的像没入地平线的时间不同，所以形成绿闪。确实，有时可以看到太阳上方的绿边（但这不是绿闪），而且太阳在完全下沉到视觉地平线以下之前的一瞬间，是有机会看到绿色太阳的。但是我们模拟一下就会发现有问题。

　　假设大气只有对流层（ 厚），在对流层大气中温度梯度均匀为 ，湿度为 ，地面气温 ，没有其他结构，那么日落看起来就会是这种效果（实际上绿边不会这么绿）：

　　height:观察者海拔高度。注意由于大气折射和视角，尽管太阳低于天文地平线，但视觉上太阳还是高于地平线的因为没有考虑散射，所以绿边才会这么明显绿边的角度非常小，日落时也只有不到 弧度（也就是 分），以一般人眼睛分辨率没那么容易直接看到它。如果有好的摄影器材的话是可以看到绿边的，但是只用肉眼观察的话，是很难看到的（这个绿边大概有0.2分左右，可以看看它有多不明显）。而且实际观测的时候由于各种原因，有时候绿边也不一定见得着。所以没有望远镜的人类如果观察到了明显的绿闪，那么绿闪应该不是通过这种途径形成的。

　　因为只画光路图已经没法直观说明绿闪的形成原因了。高度角传递曲线其实指的就是“看起来的高度角度”和“实际对应的光线经过所有大气折射以后入射到外太空时对应的角度”的一个对应关系。

　　字面意思，示意图随便画的这样一个对应关系曲线是由观察者的视角高度、大气折射率分布（是大气温度、压强、湿度以及其他成分的分布的函数，实际上发现主要取决于温度），以及光的波长决定的。

　　因为不考虑大气折射的话，太阳高度角是已知的，所以我们可以通过高度角转移曲线画出太阳经过大气折射后的形状。

　　对于上面所说的很均匀的大气层结例子，不同色光高度角转换曲线是这样的：

　　弧度比较难看清楚。把重要特征放大了以后的示意图就是这样的：

　　这张图里有个BUG首先可以看到的特征是几个曲线都位于 的下方单调递增，其表明的物理意义是实际太阳高度角要低于看起来的高度角，而且波长更短的太阳越低（这一点可以参考 @阿锦 的回答）。另外，因为这些曲线斜率更大，这意味着太阳圆面会稍微被压缩，所以日落的太阳是扁的。站得越高，太阳越扁，如果你在空间站的话会发现太阳特别扁。

　　感受一下有多flat然后我们再考虑几种常见的形成绿闪的蜃景的案例。有人[2]总结过出现绿闪时对应的大气层结和观察者位置的要求：

　　公开处刑↓https://zhuanlan.zhihu.com/p/341471779可以从表格里看到，充当折射率突变层的一般是逆温层或者近地面的超绝热层。它们形成的绿闪非常不同。

　　1.贴地超绝热层

　　这是绿闪最常见的情况之一，有时能在日出或日落时的海面上看到（我去搜了一下 @天象爱好者 的动态，发现居然没一个是这种情况的）。在这种情况下，贴近地面的空气由于受到海面加热，温度会比上方的高不少，所以折射率比上方空气小，小角度入射的光容易被全反射形成下蜃景（Inferior Mirage），这个原理和夏天干燥平直的马路上看到天空的倒影的原理差不多。这种时候，在接近视觉地平线的地方，高度角变换曲线上会出现一个极小值：

　　看曲线就能知道，日落的时候，太阳会发生变形和分裂：在地平线附近会从下往上冒出来一个倒立的太阳的像，形成 形状。太阳仿佛就像熔化了一样，非常有趣。

　　高度10m随着太阳继续落下，我们会发现最终绿闪会出现在地平线以上一点点的某个地方。

　　这个绿闪有些不自然，因为大气温度是折线虽然在极小值上，红光和绿光还是只差 弧度，但是红光消失时，绿色像的高度（厚度）被放大了不少，可以达到 弧度。而且，因为红光不一定要完全消失才能看见绿闪，黄绿色的光也算比较绿的了，所以这种绿闪会足够大以至于能被肉眼（比较勉强地）看见。真实的下蜃景绿闪是长这样的。

　　2.逆温层

　　逆温层绿闪也很常见，不过逆温层的情况就会比较有意思。因为在逆温层中，温度随高度递增，导致的结果是如果逆温层温度梯度足够大或逆温比较厚的话，大气折射率有可能在逆温层底部往上走时会突然减小很多，使得光线强烈地向下弯曲。考虑地球曲率，光线可能就再也出不来了，除非大气层结改变。这时候，逆温层就成为了波导。

　　反演下方的管状在逆温层上下其实都可以看到绿闪，但是不能在逆温层下方太远的距离（几十米级别），因为逆温层想要发挥作用的话，光线必须和逆温层夹角很小才行。如果在逆温层上方比较远的话，由于地球曲率，光线还是有机会和逆温相切的，但是下方就没有了。

　　逆温层参与的时候可以见到两种绿闪：Mock Mirage 绿闪和 sub duct 绿闪。前者（Mock Mirage, M-Mir) 是常见的绿闪，@天象爱好者 微博里面大多是这种。它其实是下面一部分太阳的一个上下颠倒的像。而后者（subduct）形成的条件极其苛刻，只能在仅仅只有在几米的高度范围内才能见到。我们可以模拟一下。

　　考虑一个从 到 温度升高了 的逆温层，不同高度下得到的高度角传递曲线和日落图景是这样的。

　　290m, 没有出现光导295m， 就已经有光线出不来了300m， 很多光都跑不出来了335m，已经在逆温层上方了， 出现了像花瓶一样的太阳和伪地平线（中）750m，远高于逆温层顶我们可以看到明显而且夸张的太阳形状畸变，这是由非常不单调的高度角传递曲线决定的。M-Mir绿闪会出现在观察者高于逆温层顶的时候，也就是后两张图。在视觉效果上，M-Mir绿闪就是花瓶形状的太阳上侧部分被截断后出现的。给个特写:

　　一般由于逆温层比较薄、强度比较小，所以形成的M-Mir绿闪规模也比较小，可能见不到明显的花瓶形状，但是你还是会看到“空缺似乎夹断了太阳的上面一部分，形成了一个细条”这样一个过程。（后来我发现这里引用的M-Mir绿闪的案例好像出现在天文地平线上方，这可能意味着逆温层由于大气波动而弯曲，而且在此处逆温层向上突起的曲率大于地球曲率[3]，四舍五入就和在观测者逆温层上方出现M-Mir绿闪的情况一致了）

　　而 sub-duct 绿闪形成条件极为苛刻，需要观测者在足够强以至于形成波导的逆温层下方一个很窄的高度范围内才能看见。下面展示了高度从 之间观察到的日落图景的变化，会发现其形态随高度变化巨大。

　　只有在高度为 时，sub-duct绿闪的形态才是最好的。

　　所以说是“沙漏形状的太阳顶部呈现绿色”对应的高度角转换曲线是这样的：

　　在极值附近，各个波长的光在对应的实际高度角上拉开了很大距离，所以这种绿闪特别持久，可以达到10秒级别的时间。但能看到的高度非常窄，只有1米的范围。

　　如果大气存在很多逆温层，我们可以得到一些奇形怪状的日落，并伴随有多个绿闪。比如在800m以下的大气中添加若干逆温层以后，日落会变成这样：

　　现实中也拍到了很多这种奇怪日落的记录。

　　最重要的事情在最后说：

　　A Green Flash Page如果想深入了解绿闪的话，建议看这个网站，因为它和它给的链接，我认为可能涵盖了人类对绿闪的大部分知识。上面的绿闪种类表格就是这个网站里给出的。