Na niebie mogą pojawić się dwa jasne „fałszywe Słońca”
Parhelia, nazywane też słońcami pobocznymi lub sundogs, to jasne plamy pojawiające się zwykle po obu stronach Słońca. Tworzą je sześciokątne kryształki lodu, które działają jak ogromna populacja miniaturowych pryzmatów unoszących się wysoko w atmosferze.
Dlaczego kryształki muszą być uporządkowane
Płaskie sześciokątne płytki lodu podczas opadania mają tendencję do przyjmowania określonej orientacji. Światło przechodzące przez ich boczne ściany jest załamywane podobnie jak w pryzmacie o kącie 60°. Dla odpowiedniej orientacji obserwatora wiele kryształków kieruje światło w podobny obszar nieba, tworząc jasną plamę.
Skąd biorą się kolory
Współczynnik załamania lodu zależy od długości fali, więc czerwone i niebieskie światło odchylają się nieco inaczej. Parhelia mogą dlatego mieć czerwonawą krawędź bliżej Słońca i bardziej rozmyte kolory dalej od niego. Często pojawiają się w pobliżu 22-stopniowego halo, choć ich dokładna pozycja zależy również od wysokości Słońca.
Chmura zdradza swoją mikrostrukturę
Widząc parhelia, nie obserwujemy samych kryształków — są zbyt małe i odległe. Z ich zbiorowego efektu optycznego możemy jednak wnioskować o kształcie i orientacji lodu w chmurach wysokich. Niebo staje się więc czymś w rodzaju ogromnego eksperymentu z krystalografii.
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.