Гало (оптическое явление) - Halo (optical phenomenon)

Луна показывает на ночном небе ореол преломления 22 °. Этот снимок был сделан в Чиккмагалуру, Карнатака, Индия.
Ореол над Южным полюсом.
Солнечное гало, наблюдаемое над Бреттон-Вудсом, штат Нью-Гэмпшир , США, 13 февраля 2021 года.
Ореол солнца в Монтеррее, Мексика . В этом городе часто встречаются ореолы из-за того, что в небе часто появляются перистые облака.

Галоген представляет собой оптическое явление производства света ( как правило , от Солнца или Луны) , взаимодействующее с кристаллами льда , взвешенных в атмосфере . Ореолы могут иметь множество форм, от цветных или белых колец до дуг и пятен на небе. Многие из них появляются около Солнца или Луны , но другие происходят в другом месте или даже в противоположной части неба. Среди наиболее известных типов ореола - круговой ореол (правильное название ореол 22 ° ), световые столбы и солнечные псы , но встречаются и многие другие; некоторые из них довольно распространены, а другие - крайне редко.

Эти кристаллы льда , ответственные за ореолы , как правило , суспендирует в перистых или перисто - слоистых облаках в верхней тропосфере (5-10 км (3.1-6.2 миль)), но в холодной погоде они также могут плавать вблизи поверхности земли, и в этом случае они называются как алмазная пыль . Конкретная форма и ориентация кристаллов определяют тип наблюдаемого гало. Свет будет отражен и преломляется с помощью кристаллов льда и может разделить на цвета из - за дисперсии . Кристаллы ведут себя как призмы и зеркала , преломляя и отражая свет между своими гранями, посылая лучи света в определенных направлениях. Атмосферные оптические явления, такие как гало, использовались как часть знаний о погоде, которые были эмпирическим средством прогнозирования погоды до того, как была разработана метеорология . Они часто указывают на то, что дождь пойдет в течение следующих 24 часов, поскольку вызывающие их перисто-слоистые облака могут указывать на приближающуюся фронтальную систему.

К другим распространенным типам оптических явлений, связанных с каплями воды, а не с кристаллами льда, относятся слава и радуга .

История

В то время как Аристотель упоминал ореолы и паргелии, в древности первыми европейскими описаниями сложных дисплеев были описания Кристофа Шайнера в Риме (около 1630 г.), Гевелия в Данциге (1661 г.) и Тобиаса Ловица в Санкт-Петербурге (около 1794 г.). Китайские наблюдатели записывали их на протяжении столетий. Первым упоминанием о них был раздел «Официальной истории династии Чин» ( Чин Шу ) в 637 г., посвященный «Десяти ореолам», в котором приводятся технические термины для 26 явлений солнечных гало.

Vädersolstavlan

Так называемая «картина собаки-солнца» ( Vädersolstavlan ), изображающая Стокгольм в 1535 году и небесное явление того времени, интерпретировалась как зловещее предзнаменование.

Хотя в основном известен и часто цитируется как старейшее цветное изображение Стокгольма , Vädersolstavlan ( шведский ; "Картина Солнца", буквально "Картина Солнца Погоды"), возможно, также является одним из старейших известных изображений ореола. включая пару солнечных собак . В течение двух часов утром 20 апреля 1535 года небо над городом было заполнено белыми кругами и дугами, пересекающими небо, в то время как вокруг солнца появлялись дополнительные солнца (например, солнечные собаки).

Световой столб

Световой столб, или солнечный столб, выглядит как вертикальный столб или столб света, поднимающийся от солнца перед закатом или восходом солнца, хотя он может появляться и под солнцем, особенно если наблюдатель находится на большой высоте или высоте. Это явление вызвано гексагональными пластинчатыми и столбчатыми кристаллами льда. Пластинчатые кристаллы обычно образуют столбы только тогда, когда солнце находится в пределах 6 градусов от горизонта; Кристаллы-столбики могут вызвать столб, когда солнце поднимается на 20 градусов над горизонтом. Кристаллы имеют тенденцию ориентироваться почти горизонтально, когда они падают или плавают в воздухе, а ширина и видимость солнечного столба зависят от выравнивания кристалла.

Световые столбы также могут образовываться вокруг луны, уличных фонарей или других ярких фонарей. Столбы, образующиеся из наземных источников света, могут казаться намного выше, чем те, что связаны с солнцем или луной. Поскольку наблюдатель находится ближе к источнику света, ориентация кристалла имеет меньшее значение при формировании этих столбов.

Круговой ореол

Кристаллы льда (только четыре представлены выше) образуют ореол 22 ° , причем красный и синий свет преломляются под немного разными углами.

Среди наиболее известных ореолов - ореол 22 ° , часто называемый просто «ореолом», который выглядит как большое кольцо вокруг Солнца или Луны с радиусом около 22 ° (примерно ширина вытянутой руки на расстоянии вытянутой руки). Кристаллы льда, образующие ореол 22 °, ориентированы в атмосфере полуслучайно, в отличие от горизонтальной ориентации, необходимой для некоторых других ореолов, таких как солнечные псы и световые столбы. В результате оптических свойств задействованных кристаллов льда свет не отражается внутрь кольца, в результате чего небо становится заметно темнее, чем небо вокруг него, и создается впечатление «дыры в небе». Гало 22 ° не следует путать с короной , которая представляет собой другое оптическое явление, вызванное каплями воды, а не кристаллами льда, и которое имеет вид разноцветного диска, а не кольца.

Другие ореолы могут образовываться под углом 46 ° к солнцу , на горизонте или вокруг зенита и могут выглядеть как полные ореолы или неполные дуги.

Кольцо Буттлингера

А кольцо Bottlinger в редкий тип гало , который имеет эллиптическую форму , а не круглую форму . Он имеет небольшой диаметр, что делает его очень трудным для просмотра в бликах Солнца и с большей вероятностью будет замечено вокруг более тусклого Субсолнца , часто видимого с горных вершин или с самолетов. Кольца Боттлингера еще недостаточно изучены. Предполагается, что они образованы очень плоскими пирамидальными кристаллами льда с гранями под необычно низкими углами, горизонтально подвешенными в атмосфере. Эти точные и физически проблемные требования объясняют, почему ореол встречается очень редко.

Другие имена

На англо-корнуэльском диалекте английского языка ореол вокруг солнца или луны называется петушиным глазом и является признаком плохой погоды. Этот термин связан с бретонским словом kog-heol (солнечный петух), которое имеет то же значение. В Непале ореол вокруг солнца называют Индрасабхой, имея в виду суд собрания Господа Индры - индуистского бога молнии, грома и дождя.

Искусственные ореолы

Природные явления можно воспроизвести искусственно несколькими способами. Во-первых, с помощью компьютерного моделирования или, во-вторых, экспериментальным путем. Что касается последнего, можно либо взять монокристалл и повернуть его вокруг соответствующей оси / осей, либо применить химический подход. Еще один дальнейший и более косвенный экспериментальный подход - найти аналогичную геометрию преломления.

Аналогичный подход рефракции

Аналогичный эксперимент по демонстрации рефракции для циркумзенитальной дуги. Здесь это ошибочно обозначено как искусственная радуга в книге Гилбертса.

В этом подходе используется тот факт, что в некоторых случаях средняя геометрия преломления через кристалл льда может имитироваться / имитироваться посредством преломления через другой геометрический объект. Таким образом, круговая дуга , круговая горизонтальная дуга и дуги Парри в солнечной пещере могут быть воссозданы за счет преломления через вращательно-симметричные (т.е. непризматические) статические тела. В особенно простом настольном эксперименте искусственно воспроизводятся красочные околозенитные и окгоризонтальные дуги, используя только стакан с водой. Преломление через цилиндр воды оказывается (почти) идентичным усредненному по вращению преломлению через вертикальный гексагональный кристалл льда / пластинчатые кристаллы, тем самым создавая ярко окрашенные циркумзенитальные и окологоризонтальные дуги. Фактически, эксперимент с жидким стеклом часто путают с изображением радуги, и он проводится по крайней мере с 1920 года.

Следуя идее Гюйгенса о (ложном) механизме паргелии 22 °, можно также осветить (сбоку) заполненный водой цилиндрический стакан с внутренним центральным препятствием в половину диаметра стакана, чтобы получить при проекции на экран внешний вид, который очень похож на parhelia (см. сноску [39] в ссылке, или см. здесь), то есть внутренний красный край, переходящий в белую полосу под большими углами по обе стороны от направления прямой передачи. Тем не менее, хотя визуальное совпадение близко, этот конкретный эксперимент не включает механизм ложной каустики и, таким образом, не является реальным аналогом.

Химические подходы

Самые ранние химические рецепты создания искусственных ореолов были предложены Брюстером и дополнительно изучены А. Корню в 1889 году. Идея заключалась в создании кристаллов путем осаждения солевого раствора. Таким образом образующиеся бесчисленные маленькие кристаллы при освещении светом будут вызывать ореолы, соответствующие конкретной геометрии кристалла и ориентации / выравниванию. Несколько рецептов существуют и продолжают открываться. Кольца - частый результат таких экспериментов. Но также дуги Парри были созданы таким образом искусственно.

Механические подходы

Одиночная ось

Самые ранние экспериментальные исследования феноменов гало были приписаны Огюсту Браве в 1847 году. Браве использовал равностороннюю стеклянную призму, которую он вращал вокруг ее вертикальной оси. При освещении параллельным белым светом это создавало искусственный пархелийский круг и многие вкрапленные паргелии. Точно так же А. Вегенер использовал гексагональные вращающиеся кристаллы для создания искусственных субпаргелий. В более поздней версии этого эксперимента было обнаружено гораздо больше встроенных паргелий с использованием коммерчески доступных гексагональных кристаллов стекла BK7. Подобные простые эксперименты можно использовать в образовательных целях и в демонстрационных экспериментах. К сожалению, используя кристаллы стекла, невозможно воспроизвести околозенитную дугу или окологоризонтальную дугу из-за полного внутреннего отражения, препятствующего требуемым траекториям лучей, когда .

Еще раньше, чем Браве, итальянский ученый Ф. Вентури экспериментировал с заостренными призмами, заполненными водой, чтобы продемонстрировать околозенитную дугу. Однако позже это объяснение было заменено правильным объяснением CZA Браве.

Искусственный ореол проецируется на сферический экран. Видны: тангенциальные дуги, дуги парирования, (суб) паргелия, паргелическая окружность, гелиакальные дуги.

Кристаллы искусственного льда использовались для создания ореолов, которые иначе были бы недостижимы при механическом подходе с использованием стеклянных кристаллов, например, околозенитных и окологоризонтальных дуг. Использование кристаллов льда гарантирует, что образующиеся ореолы имеют те же угловые координаты, что и природные явления. Другие кристаллы, такие как NaF, также имеют показатель преломления, близкий к показателю преломления льда, и использовались в прошлом.

Две оси

Чтобы создать искусственные ореолы, такие как касательные дуги или описанный ореол, нужно повернуть один столбчатый шестиугольный кристалл вокруг 2 осей. Точно так же дуги Ловица могут быть созданы путем вращения монокристалла-пластины вокруг двух осей. Это можно сделать с помощью сконструированных гало-машин. Первая такая машина была построена в 2003 году; последовали еще несколько. Если поместить такие машины внутрь сферических проекционных экранов и по принципу так называемого преобразования неба, аналогия почти идеальна. Реализация с использованием микроверсий вышеупомянутых машин дает аутентичные без искажений проекции таких сложных искусственных ореолов. Наконец, наложение нескольких изображений и проекций, созданных такими гало-машинами, может быть объединено для создания единого изображения. Полученное в результате наложение изображение представляет собой представление сложных естественных ореолов, содержащих множество различных ориентационных наборов ледяных призм.

Три оси

Экспериментальное воспроизведение круговых ореолов является наиболее сложным с использованием только монокристалла, в то время как оно является самым простым и обычно достигается с помощью химических рецептов. Используя монокристалл, необходимо реализовать все возможные трехмерные ориентации кристалла. Недавно это было достигнуто двумя подходами. Первый использует пневматику и сложную оснастку, а второй использует машину случайного блуждания на базе Arduino, которая стохастически меняет ориентацию кристалла, встроенного в прозрачную тонкостенную сферу.

Галерея

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки