Halos

In dieser Woche hatten wir die Chance einen extrem schönen Halo zu bewundern. Grund genug ein wenig darüber zu lesen und einen Blog-Eintrag zu schreiben. Halos sind bei weitem nicht auf die arktischen Regionen begrenzt, auch wenn sie hier deutlich häufiger auftreten. Das Buch dem ich die meisten meiner Informationen entnommen habe (“Atmospheric Halos” by Walter Tape; American Geophysical Union, Washington D.C., 1994) behauptet, dass etwa in Wisconsin die Nebensonnen an 60 Tagen des Jahres beobachtbar sind – wir schauen nur nie nach oben. Tatsächlich habe ich in meiner Zeit in Süddeutschland nur einmal einen Halo mit Zirkumzenitalbogen gesehen – beim Beachvolleyballspielen, wo man doch häufig nach oben schaut.

Halos entstehen, ähnlich wie Regenbögen, durch Spiegelung und Brechung an Wasser – hier jedoch gefrorenem. Auf Grund der größeren Komplexität von Eiskristallen im Vergleich zu Wassertropfen, entstehen entsprechend komplexere Formen am Himmel. Eiskristalle sind hexagonal (Ich bin nicht 100%ig sicher, aber ich vermute stark auf Grund des charakteristischen Winkels zwischen den H-Atomen im Wassermolekül.) und entweder flache Plättchen oder Stäbe. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Ausrichtung der Kristalle in der Luft in Bezug auf die Linie zwischen Sonne und Beobachter. Bei schwachem Wind scheinen sich die meisten Kristalle horizontal auszurichten. Die Art der Kristalle kann man durch sammeln und betrachten unter einem Mikroskop bestimmen.

Mit diesen Informationen ist es möglich Montecarlo-Simulationen des Strahlengangs durchzuführen. Hierdurch ist es möglich die einzelnen Komponenten des Halos zu erklären:

• Die Nebensonnen entstehen durch zweifache Brechung an verschiedenen Seiten eine Hexagons. Dabei kann es sich sowohl um Plättchen als auch Stäbe handeln, deren Hauptachse senkrecht zur Erdoberfläche steht. Der charakteristische Brechungswinkel liegt bei etwa 22°, weshalb sie sich am Rand des sogenannten 22° Halos befinden. Da es sich um zwei Brechungen, die sich nicht aufheben, handelt, kommt es zu einer Farbaufspaltung.
• Der Zirkumzenitalbogen entsteht durch die gleichen Kristalle und ebenfalls durch eine Zweifachbrechung. Hier erfolgt eine Brechung jedoch auf der Deckfläche des Kristalls und die andere an einer der Seitenflächen. Daher kommt es zu einer Brechung in Richtung Boden, weshalb der Bogen oberhalb der Sonne erscheint.
• Der Horizontalkreis kann sich über die vollen 360° erstrecken und befindet sich auf der Höhe der Sonne. Er entsteht durch Reflexion an der Außenseite der Kristalle oder einer Totalreflexion im inneren, mit vorausgegangener sowie folgender Brechung. In jedem Fall erfolgt keine effektive Brechung, weshalb dieser Bogen Weiß ist. Der Einfallswinkel beim Beobachter und damit die scheinbare Höhe bleiben ebenfalls unverändert.
• Der Tangentialbogen, direkt oberhalb des 22° Halos, entsteht durch Stäbe, deren Hauptachse horizontal ausgerichtet ist. Ansonsten ist das Prinzip das gleiche wie bei den Nebensonnen. Lediglich die Ablenkung erfolgt, auf Grund der um 90° gedrehten Hauptachse, in Richtung Boden.
• Das entstehen der beiden Ring-Halos ist etwas subtiler. Der 22°-Ring entsteht offensichtlich auf ähnliche Weise wie die Nebensonnen und der Tangentialbogen. Jedoch benötigt man zufällig ausgerichtete Kristalle um den Kreis zu erzeugen. Ist dies der Fall, entsteht ein weiterer Ring bei 46°. Je stärker die horizontale Ausrichtung dominiert, desto stärker verformt sich der Bogen in sogenannte Supralaterale- und Infralaterale Bögen. Diese unterscheiden sich nur sehr schwach von einem perfekten Kreis. Leider ist der zweite Ring unterhalb des Horizontalbogens in den Aufnahmen mit dem Fischauge sehr schwach, so dass eine Unterscheidung hier nicht möglich ist. Auf Grund des deutlich zu erkennenden Tangentialbogens muss jedoch ein gewisser Anteil der Stabkristalle horizontal ausgerichtet gewesen sein.

Weiterhin gibt es zahlreiche weitere Formen, die auf Grund von mehrfacher Reflexion in den Kristallen entstehen können. Diese sind jedoch meist zu schwach um gesehen zu werden.

This week we had the chance to admire an extremely beautiful Halo. Reason enough to read a little bit about it and to write a blog entry. Halos are by far not constricted to the arctic regions, although they appear much more frequent here. The book I took most my Info from (“Atmospheric Halos” by Walter Tape; American Geophysical Union, Washington D.C., 1994) claims that, e.g. in Wisconsin, the parhelia are visible 60 days a year – we just never look up. Actually I only once saw a Halo with a circumzenith arc in southern Germany – while playing Beachvolleyball, indeed looking up quite often.

Halos are created, similar to rainbows, by reflection and refraction on water – here however frozen. Due to the higher complexity of ice-crystals in contrast to water drops, accordingly more complex displays are created in the sky. Ice crystals are hexagonal (I’m not a 100% sure, but I strongly suspect that it is due to the characteristic angle between the H-atoms of the water molecule.) and either form flat plates or columns. Another important aspect is the orientation of the crystals in the air with respect to the line of site between the sun and the observer. In calm winds it seems that most crystals align horizontally. The type of crystals can be determined by collecting them and observing them through a telescope.

With these information it is possible to do Monte-Carlo-Simulations of ray traces. In this way it is possible to explain the different components of a Halo:

• The parhelia are created by a double refraction on different sides of the hexagons. Those can be both plates and columns, as long as their principal axis is perpendicular to the earths surface. The characteristic refraction angle is around 22°. That is why the parhelia are situated at the edge of the 22° halo. Since there are two refractions involved that do not cancel each other out, there is a colour dispersion.
• The circumzenith arc is created by the same crystals and also by a double refraction. Here however, one of the refractions happens on the top surface and the other on one of the six sides. Therefore the light is refracted towards the ground and hence the arc appears above the sun.
• The parhelic circle can extend to the full 360° and is positioned at the same altitude as the sun. It is created by reflection on the outside of the crystals or a total internal reflection, pre- and proceeded by a refraction. In any case no effective refraction happens, hence a white arc appears. The angle under which the observer sees the light and therefore the apparent position on the sky is also unaltered.
• The tangent arc, directly above the 22° Halo, is created by columns, whose principal axis is aligned horizontally. Otherwise the ides is the same as for the parhelia. Only the direction of refraction, due to the 90° rotated orientation, is now towards the ground.
• The reasons for the two ring-halos is a bit more subtle. The 22° ring apparently is created in a similar fashion as the parhelia and the tangent arc. However, randomly orientated crystals are needed to create a circle. If this is the case, a second circle at 46° appears. The more the horizontal alignment dominates, the more this circle deforms into so called supralateral and infralateral arcs. Those are deviating from a perfect circle only very weekly. Unfortunately the second circle below the parhelic circle is rather faint in the shot taken with the fish eye and therefore a distinction is not possible here. Because of the clearly visible tangent arc however, there must have been a certain ratio of aligned column crystals.

Moreover there are numerous additional forms that can be created by multiple reflections in the crystal. However, they are usual too faint to be observed.