Halo wokół Słońca może zdradzać geometrię kryształków lodu wysoko w atmosferze
Najczęstsze duże halo ma promień kątowy około 22°. Ta liczba nie jest przypadkowa: wynika z sześciokątnej geometrii kryształków lodu, kąta między ich ścianami i współczynnika załamania lodu. Patrząc na pierścień, widzimy makroskopowy podpis mikroskopijnych pryzmatów.
Dlaczego właśnie około 22 stopni
Dwie odpowiednie ściany sześciokątnego kryształu tworzą pryzmat o kącie 60°. Dla światła przechodzącego przez taki pryzmat istnieje minimalny kąt odchylenia. Dla lodu w świetle widzialnym wypada on w pobliżu 22°. Promienie nie mogą tworzyć zwykłego halo bliżej Słońca niż ta granica, dlatego wewnętrzna krawędź pierścienia jest stosunkowo ostra.
Kolory są ułożone inaczej niż w tęczy
Dyspersja powoduje nieco inne odchylenie różnych długości fal. Czerwona krawędź 22-stopniowego halo znajduje się zwykle od strony Słońca, a bardziej niebieskie składniki dalej. Kolory są jednak często słabe, bo nakłada się wiele dróg światła i orientacji kryształów.
Nie każde halo mówi to samo
Atmosferyczna optyka lodowa obejmuje dziesiątki łuków i pierścieni zależnych od kształtu, orientacji i ruchu kryształów. Płytki i kolumny dają inne układy. Doświadczony obserwator może więc z geometrii zjawiska wyciągać informacje o chmurach, mimo że same kryształki znajdują się wiele kilometrów wyżej.
Kształt kryształu zapisuje się w obrazie nieba
Kryształ lodu jest miniaturowym elementem optycznym o ściśle określonej geometrii sieci krystalicznej. Sześciokątny przekrój daje charakterystyczne kąty między ścianami, a te określają możliwe drogi załamania i odbicia. Gdy miliony kryształów mają podobny kształt lub orientację, ich słabe pojedyncze sygnały sumują się w jasny łuk, pierścień albo plamę widoczną z ziemi.
Orientacja jest równie ważna jak kształt
Niektóre kryształy spadają jak płaskie płytki, inne jak wydłużone kolumny. Opór aerodynamiczny może preferować określone ustawienie względem poziomu. Wtedy tylko wybrane ściany skutecznie kierują światło do obserwatora i zamiast pełnego pierścienia powstaje konkretny łuk lub parhelion. Analiza zjawiska wymaga więc jednocześnie krystalografii, optyki i mechaniki opadania cząstek.
Nie mylić halo z koroną
Pierścienie wokół Słońca lub Księżyca nie zawsze mają ten sam mechanizm. Duże, typowe halo 22° jest związane głównie z załamaniem w kryształkach lodu. Znacznie mniejsza korona wokół tarczy może powstawać przez dyfrakcję na drobnych kroplach wody. Podobny wygląd na pierwszy rzut oka może więc kryć zupełnie inną fizykę.
Dlaczego zjawisko może zniknąć w kilka minut
Chmura zawierająca kryształki przesuwa się, kryształy rosną i sublimują, a ich orientacja zależy od ruchu powietrza. Jednocześnie Słońce zmienia wysokość. Układ spełniający geometryczne warunki dla konkretnego halo może więc szybko przestać je spełniać. To odróżnia optykę atmosferyczną od stałego pryzmatu laboratoryjnego: sam zestaw elementów optycznych jest dynamiczny i wymieniany przez atmosferę w czasie obserwacji.
Co warto sprawdzić na niebie
Przy halo lub parheliach można użyć własnej dłoni jako bardzo zgrubnej miary kątowej i obserwować, czy jasne elementy pozostają w stałej odległości kątowej od Słońca, gdy chmury się przesuwają. Nie należy oczywiście patrzeć bezpośrednio w tarczę słoneczną. Zwrócenie uwagi na orientację łuków i kolejność kolorów pozwala zobaczyć, że nie są to przypadkowe rozjaśnienia chmur, lecz geometrycznie uporządkowane obrazy.