现在一般认为，要形成夜光云一般都需要有三个条件：低温、水蒸气和尘埃，这样水蒸气才能凝结成极小的冰晶。近年来，夜光云已经蔓延到纬度40度附近也能看到，而且出现的次数越来越多，也越来越亮。这引起科学家们的强烈关注，人们担心这是地球大气变化的前兆。
据观察，南北两个半球的夜光云之间存在着很大的不同。北半球上空的夜光云看上去比南半球上空的要明亮一点，出现的纬度也更低。在北半球，从5月15日至8月20日经常有夜光云，其中最频繁的是7月初。美国科罗拉多大学的科拉•兰德尔表示，越来越多的温室效应气体，比如二氧化碳，使低海拔地区的气候变暖，使高海拔地区的气温下降，进而为高空中夜光云形成创造了条件。
另外，高含量的温室效应气体，实际上会导致在高空形成更多的水蒸气。兰德尔说，低温和更多水蒸气的存在，是导致多数夜光云更为频繁现身的原因。这说明地球大气在变化。
天上有片蓝色的云？这可不是异想天开！
夜光云(Noctilucent cloud)是深曙暮期间出现于地球高纬度地区高空的一种发光而透明的波状云，距地面的高度一般在80km左右，常呈淡蓝色或银灰色，是夜光云中的冰晶颗粒散射太阳光的结果，这类冰晶颗粒的半径一般为0.05~0.5微米。
夜光云的成因科学界还有争议，最主流的理论认为它主要是由极细的冰晶构成，这个经验理论只在对流层成立。
对流层之上是平流层(同温层)，再往上才是中间层，但平流层的特点是上热下冷，故垂直方向上的对流很少而主要是水平方向上的大气运动(所以客机飞行一般选择在平流层中)，这样实际上中间层的温度是很高而不是很低了。科学家们认为这可能是由于垂直方向上重力波的衰减造成的。重力波由于各种异常原因而可能在某些地方减弱，从而导致了低层大气向上的动量传递。这样那些在向东方向夜光云上具有很强相速度的重力波将向东的动量传递给了高层的大气。
向东方向的流动将受到赤道方向的科里奥利力的作用，这将引起垂直方向上带有水气的大气流动(要说明是，高层大气的水气不一定直接来至地面，有可能是由于甲烷的光分解形成的)。因为只有夏季时高纬度的平流层才允许相速度东向的重力波传入中间层(冬季季风方向相反，因而东向的动量不能传入中间层)，这样，处于夏季的半球的中间层温会因动量的流失而降低(相应地冬季半球的中间层温度会升高)，从而导致了中间层的降温现象(130 k)。实际上，在整个极地地区的夏天，卫星能够观察到大片的中间层云团，但是纬度太高的地区在夏季处于极昼，因而夜光云是不易被发现的。在这种条件下，夜光云就只能在夏季的某些高纬度地区被观察到了。
不少欧美国家傍晚夜空蓝光大作，这是如何形成的？
出品：科学大院
作者：王铮（中国科学院国家空间科学中心）
监制：中国科学院计算机网络信息中心中国科普博览
丹麦尼克宾港口上空出现的蓝色夜光云
“白云一片去悠悠，青枫浦上不胜愁”，晴朗的天空上漂浮的是白色的云；“黑云翻墨未遮山，白雨跳珠乱入船”，出现在阴天的则是乌云、黑云。但是，你见过蓝色的云吗？
这可不是天方夜谭，现实中确实存在蓝色的云，学名被称为“夜光云”（Noctilucent Cloud），通常出现在地球大气较高的高度，所以已经脱离了气象学研究的范围，而是到了空间物理学、太空科学研究的范围。
云的颜色是怎么来的？
曾经的Windows XP系统经典的蓝天白云桌面，我们许多人都很熟悉，它拍摄的是美国加州索诺马县的风景，放晴的天空飘浮着几片不规则的积云（由低层空气对流作用使水汽凝结或在冬季凝华而形成的云，顶部凸起，云底平坦），洁白无瑕。
Windows XP系统经典的蓝天白云桌面，拍摄自美国加州索诺马县的风景
像Windows桌面图片这样我们平时看到、说到的云，风雨雷电所相关的白云和乌云，是小水滴和空气中的粉尘组成的，高度大约在10千米以下，是较低高度大气（称为对流层）中的云。这些云的颜色是怎么形成的呢？这就不得不提到两种光学现象——瑞利散射和迈以散射。
照向地球的阳光由多种颜色的光组成，综合来看是白色的，如果空气中颗粒的尺度比太阳光的波长小，就会发生瑞利散射，并且不同波长散射不同。天空就是因为对蓝色光的散射效应比对红色光的强，才会看上去是蓝色的；而云的颗粒较大，其直径比太阳光中任何一种颜色的光的波长都要长得多，所以很少发生瑞利散射。
既然如此，那阳光在经过云层时会发生什么呢？原来，云层会把一部分阳光反射到天上；一部分发生被称为迈以散射的效应（这种散射不会改变光的波长，它到达地面看上去还是白色的光）；还有一部分直接穿透云层到达地面。由于这3种情况都对阳光的成分没有影响，所以我们通常看到的云就是白色的了。
不过，当云层越来越厚时，小水滴越来越多，几乎连成一片，直射的太阳光和经过迈以射散的光不能、或者很少能穿透云层，这时白云就变成乌云了。
蓝色的云又是怎么回事？
蓝色的云——夜光云，又名夜间云或极地中间层云，国内外百科词条给出的普遍定义是深曙暮期间出现于地球高纬度地区高空的一种发光而透明的波状云。
夜光云呈波纹状，为明亮的银白色或蓝色
夜光云所处的高度非常高，它是位置最高的云，位于地球大气的中间层（mesosphere），高度在76千米至85千米。这个高度比飞机飞行的高度还要高好几倍。在这里由于重力很弱，大气非常稀薄，所以夜光云通常很暗淡而难以看见。
地球大气分层，其中夜光云出现在中间层顶部
夜光云看起来有点像卷云，但比它薄得多，而且颜色为明亮的银白色或蓝色，云面积可达300万平方千米。它只有当太阳在地平线以下6°～12°时，即日落之后、日出之前最昏暗的时间段，低层大气在地球阴影内，而高层大气的夜光云被日光照射时，才能用肉眼直接观察到。如果观察时间太早会因为其太薄而看不见，而太迟了它也会落到地球的阴影之中去。夜光云通常可以存在从几分钟到几个小时不等。
之所以要在太阳在地平线以下6°～12°时进行观察，就是因为这时候阳光通过折射是从地平线下渗入的，而大气层平时比较亮的低层已经处在黑影之中，这时候能看到的是强夜光云，它的亮度相当于国际二级极光亮度，而弱夜光云一般用肉眼看不见，只有用紫外或红外光学仪器观察。
夜光云经常被飞行中的飞行器，或者从国际空间站进行拍摄。夜光云在北半球和南半球均清晰可见，分别在春末和夏初季节达到观测最佳时期。
下图是从国际空间站看到的夜光云。为了能显示暗淡的云层顶部，地球的地平线被有意地进行了过度曝光，顶部与地平线平行的近乎透明的淡蓝色线就是夜光云。
从国际空间站看到的夜光云
夜光云是如何形成的？
夜光云为什么呈现出与白云、乌云不同的蓝色呢？因为夜光云中较小的冰晶颗粒都散落在较短波长可见光（蓝色）附近，而不是长波长可见光（红色）。所以从地面的角度看，当一束太阳光照射在夜光云上，我们能看到的是它散射的蓝色光。
夜光云形成
从形态上看，夜光云可分为面纱型（veil）、条带型（bands）、波浪型（waves）和旋涡型（whirls）。各种形态的特征如下图。
不同类型夜光云的形态
那么，冰晶是怎样在如此干燥的中间层形成的呢？这应该是夜光云最具神秘色彩的地方。
冰晶的产生需要两个条件：一个是要有水蒸气，另一个是要有水蒸气的凝结核——灰尘颗粒。普通的白云，云层离地面较近，能通过像沙漠中的尘暴来获得所需的凝结核，但是浮尘是很难被吹送到这么远的大气中间层。
科学家们猜测中间层的灰尘颗粒可能来自外太空：每天都有大量的彗星和小行星带来的极微小碎片进入地球，其中有许多合适尺寸的碎片都可以作为夜光云的凝结核。至于水蒸气则应该来自夏天上升气流把潮湿的低空大气带到中间层，这也是夜光云在整个夏天出现的原因。
例如下图是英国《每日邮报》曾刊登的2012年报夏天由摄影师艾德里安-马里西斯(Adrian Maricic) 在第四铁路桥拍摄到的英国爱丁堡市上空大气层最遥远的云层中，闪烁着蓝色的夜光云，据推算其距离地面大约50英里（80千米）。这次拍摄是在一个星期的暴风雨之后，天空变得格外晴朗，而夜光云就位于大气层最顶部。此时太阳还没升起，大气层中富含水蒸汽冷凝成为冰晶体，地平线以下的、远处而来阳光照射这些冰晶体，在夜间发亮形成夜光云。
英国爱丁堡上空的夜光云
越来越重要的夜光云研究
夜光云最初被认为只有在高纬度地区（50°-65°）的夏季，光照条件较好的时候，才能观察到。
在1885年，也就是1883年印度尼西亚喀拉喀托火山爆发两年后，人们第一次记载观测到这种夜间发光的云。当火山灰落下，日落逐渐暗淡，夜光云却一直出现在天空。多年之后，研究学者仍然不能确定，喀拉喀托火山灰与早期目击到的夜光云是否有关。
在早期的观测记载以后，人们渐渐注意到，夜光云的出现似乎越来越频繁，持续的时间更长，出现的纬度也更低，但其原因依然没有非常明确的结论。
2015年夏天，日本北海道大学低温科学研究所等的研究团队在北海道的多个城市拍摄到了夜光云。北海道地区位于北半球40°- 45°区域，北海道大学低温科学研究所特聘教授藤吉康志对此表示：“本来认为在日本国内不可能拍摄到，深感吃惊。夜光云神秘而美丽，但大气污染和气候变暖使得其可观测的区域扩大促成本次拍摄成功的可能性较大。”
日本北海道上空的夜光云
正如日本学者所说，很多科学家认为夜光云开始出现在更低纬度地区可能与人类活动有关，因此引起了越来越多的兴趣。
2007年4月美国国家航空和航天局（NASA）首次发射了一颗名为AIM（Aeronomy of Ice in the Mesosphere，中间层大气中冰的高层大气物理）的卫星，专门用于观测夜光云，从而研究中间层中的冰晶有关的物理过程。
工作人员正在进行AIM卫星的太阳能帆板测试
AIM卫星的轨道位于赤道上方约600公里处。参与这一项目的科学家玛丽·梅洛特说：“这些云（夜光云）是地球大气顶层状况的信号标，也是地球大气保存太阳能过程的一个重要环节。”梅洛特表示，科学家希望借助这颗卫星了解夜光云的形成过程和成因，理解大气环境的基本物理过程，也理解磁场、大气和太阳变化对于地球等星球宜居性的影响。
AIM卫星至今仍在工作。下边的动态图是它在2016年11月17-28日于南极洲上空拍摄的夜光云。夜光云越明亮，表明冰晶越密集。没有数据的区域显示为黑色。白色线条表示地形轮廓。
AIM卫星在2016年11月17-28日于南极洲上空拍摄的夜光云
科学家发现，全球气候变暖使我们人类所处的底层大气温度变高，但这个效应会使大气中间层温度降低。在大气中间层，温度很低就有利于形成冰晶。另外，全球变暖过程中，高含量的温室效应气体甲烷实际上会导致在高海拔地区形成更多的水蒸汽。这样看来，全球变暖引起的“低温”和“更多水蒸汽”可能导致夜光云更为频繁地形成、在更低纬度出现。这也正是为什么研究者越来越重视夜光云现象。
夜光云是地球大气层中最高的一层云，它不会像其他的云一样在形成在对流层，夜光云的形成在于地球大气层的中间。夜光云的出现也是十分特殊的，夜光云必须出现在气温低且水汽、尘埃充足的时候。其实夜光云的出现是由地球大气层中间层少量的水汽凝结成冰晶所形成的。夜光云其实是不会发光的，只是因为太阳的作用，太阳可以照亮冰晶，所导致我们看到的夜光云是散发着光芒的。
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