Кіріспе

Аспанның оптикалық құбылысы

Гало – атмосферадағы мұз кристалдарымен әрекеттесетін жарықтан (әдетте Күн немесе Айдан) туындайтын оптикалық құбылыс. Гало түрлі формада болуы мүмкін, түрлі түсті немесе ақ сақиналардан бастап, аспандағы доғалар мен дақтарға дейін. Олардың көпшілігі Күн мен Айдың маңында пайда болса, қалғандары басқа жерде немесе тіпті аспанның қарама-қарсы жағында кездеседі. Ең танымал гало түрлеріне дөңгелек гало (дұрысы 22° гало), жарық тіректері және күн иті жатады, бірақ одан да көп түрлері бар; кейбіреулері жиі кездеседі, ал басқалары өте сирек. Галоға себеп болатын мұз кристалдары әдетте жоғарғы тропосферадағы цирр немесе циррострат бұлттарында болады, бірақ суық ауа райында олар жерге жақын да қалқып жүзеді, мұндай кезде олар алмаз шаңы деп аталады. Кристаллдардың нақты пішіні мен бағыты байқалатын гало түрін анықтайды. Жарық мұз кристалдарынан шағылысып, сындырылады және дисперсия нәтижесінде түстерге бөлінеді. Кристаллдар призма мен айна сияқты қызмет етеді, жарықты сындырып, беттерінен шағылыстырып, оны белгілі бір бағытта жібереді. Гало сияқты атмосфералық оптикалық құбылыстар метеорология дамығанға дейін ауа райын болжаудың эмпирикалық тәсілі болған ауа райы туралы хабарлардың бір бөлігі еді. Олар көбінесе алдағы 24 сағат ішінде жаңбыр жауатынын көрсетеді, себебі оларды тудыратын циррострат бұлттары фронталды жүйенің жақындап келе жатқанын білдіреді. Су тамшыларын қамтитын басқа да кең таралған оптикалық құбылыстарға салтанаттылық пен аязбоғаз жатады.

Тарих

Аристотель гало мен пархелияны атап өткенімен, ежелгі дәуірде күрделі құбылыстардың еуропалық алғашқы сипаттамаларын Кристоф Шейнер (Рим, шамамен 1630 ж.), Йоханнес Хевелиус (Данциг, 1661 ж.) және Тобиас Ловиц (Санкт-Петербург, шамамен 1794 ж.) жасады. Қытайлық бақылаушылар осы құбылыстарды ғасырлар бойы тіркеп келген, алғашқы жазба 637 жылғы "Цинь әулетінің ресми тарихында" ("Цинь Шу") "Он гало" бөлімінде кездеседі, онда 26 күн айналысы құбылысы үшін техникалық терминдер келтірілген.

Vädersolstavlan (Ауылдық су айдыны)

Вэдерсолтавлан (швед. "Күннің иті суреті", сөзбе-сөз "Ауа райы күнінің суреті") көбінесе Стокгольм қаласының ең көне түсті бейнесі ретінде танылып, жиі сілтеме жасалады. Бірақ, бұл картина күннің айналасындағы екі күннің итін қамтитын гало құбылысының ең көне бейнелерінің бірі деп есептелуі мүмкін. 1535 жылғы 20 сәуірде таңертең екі сағат бойы қаланың аспаны ақ шеңберлермен және аспанды кесіп өтетін доғалармен толды, ал Күннің айналасында қосымша күндер (яғни, күннің иті) пайда болды.

Жарық бағанасы

Күн бағанасы немесе жарық тірегі, күн бату немесе күн шығу кезінде Күннен тік бойымен көтерілетін жарық бағанасы немесе тірегі ретінде көрінеді, бірақ ол Күннің астында да пайда болуы мүмкін, әсіресе бақылаушы биік жерде немесе биіктікте болса. Бұл құбылысты алтыбұрышты жақтары бар мұз кристалдарының тақталары мен тіректері тудырады. Тақта кристалдары көбінесе Күн көкжиектен 6 градусқа дейінгі аралықта болғанда ғана тіректің пайда болуына себеп болады, ал тіректі кристалдар Күн көкжиектен 20 градусқа дейін жоғары көтерілгенде тіректің пайда болуын қамтамасыз ете алады. Кристалдар құлай немесе ауада қалқыған кезде көлденең бағытта тегістеледі, ал күн тірегінің ені мен көрінуі кристаллдардың орналасуына байланысты. Жарық тіректері Айдың төңірегінде, сондай-ақ көше шамдарының немесе басқа да жарқыраған шамдардың төңірегінде де пайда болуы мүмкін. Жердегі жарық көздерінен пайда болатын тіректері Күн мен Айға байланысты тіректерге қарағанда әлдеқайда биік көрінеді. Бақылаушы жарық көзіне жақын болғандықтан, мұндай тіректердің қалыптасуында кристаллдардың бағыты аса маңызды емес.

Дөңгелекті шару

Ең танымал галолардың бірі – 22° гало, көбінесе жай ғана «гало» деп аталады, ол Күн немесе Айдың айналасында шамамен 22° радиусы бар үлкен сақина ретінде көрінеді (қолды толығымен созғандағы енінің шамасы). 22° галоға себеп болатын мұз кристалдары атмосферада жартылай кездейсоқ бағытталады, ал күн иті және жарық тіректері сияқты басқа галолар үшін көлденең бағыт қажет. Мұз кристалдарының оптикалық қасиеттерінің нәтижесінде сақинаның ішкі жағына жарық шағылыспайды, сондықтан аспанның осы бөлігі айналасындағы аспаннан айқын түрде қараңғырақ болып көрінеді, бұл «аспандағы тесік» сияқты әсер қалдырады. 22° галоны мұз кристалдары емес, су тамшыларынан пайда болатын және сақина емес, көп түсті дискідей көрінетін коронамен шатастырмау керек. Басқа галолар Күнге 46° бұрышпен, көкжиекте немесе зенитке жақын пайда болуы мүмкін және толық гало немесе толық емес доға түрінде көрінуі мүмкін.

Боттлингтің сақинасы

Боттлингерлік сақина – дөңгелек емес, эллипстік пішінді сирек кездесетін галлоның бір түрі. Оның диаметрі шағын болғандықтан, Күннің жарығында көру өте қиын, бірақ әлсізрек субкүннің маңында байқауға оңайырақ, көбінесе тау шаңырақтарынан немесе ұшақтардан көрінеді. Боттлингерлік сақиналар әлі толыққанды зерттелмеген. Олардың пайда болуына өте жазы пирамида пішіндес мұз кристалдарының, беттері ерекше төмен бұрышпен атмосферада көлденең қалпында ілінгенін жатады деп есептеледі. Осы қатаң және физикалық тұрғыдан күрделі талаптар осы галлоның сирек кездесуін түсіндіреді.

Басқа атаулары

Корнуолл ағылшын диалектісінде күннің немесе айдың айналасындағы шеңбер "әтеш көзі" деп аталады және бұл жаман ауа райының белгісі саналады. Бұл термин бретон тіліндегі "kog heol" (күн әтеш) деген сөзбен байланысты, оның да мағынасы осылай. Непалда күннің айналасындағы шеңбер "Индрасабха" деп аталады, бұл индуизм құдайы Индраның – найзағай, күн күркірі және жаңбыр құдайының – жиналыс кеңесін білдіреді.

Жасанды галолар

Табиғи құбылыстарды бірнеше тәсілмен жасанды түрде қайта жасауға болады. Біріншіден, компьютерлік модельдеу арқылы, екіншісі – тәжірибелік жолмен. Екіншісіне келсек, бұл бір кристаллды қажетті ось немесе осьтер төңірегінде айналдыру арқылы немесе химиялық тәсілмен жүзеге асырылады. Әрі қарай, тікелей емес тәжірибелік тәсіл – ұқсас дифракция геометриясын табу болып табылады.

Анологиялық сыну әдісі

[[Файл:Артификалық CZA. Айналалық дуалдың сынуын көрсететін тәжірибе. Өте қарапайым үстел үстіндегі тәжірибе тек сулы стаканды пайдалана отырып, түрлі-түсті айналалық және көлденең доғаларды жасанды түрде қайта жасайды. Су цилиндрі арқылы болатын сыну, тік алтыбұрышты мұз кристаллының / пластинасының бұрылыс бойынша орташаланған сынуымен (шамамен) бірдей болып келеді, соның арқасында жарқын түсті айналалық және көлденең доғалар пайда болады. Шындығында, су стаканымен жасалған тәжірибе көбінесе жаңбырды бейнелейтіндей болып қателесіп түсіріледі және кем дегенде 1920 жылдан бері белгілі. Гюйгенстің 22° парелияның (бұрыс) механизмі туралы идеясына сәйкес, сумен толтырылған цилиндрлі стақанды (жағынан) жарықтандыруға болады, стақан диаметрінің жартысына тең ішкі орталық тосқауылмен, содан кейін экранға түсірілгенде парелияға ұқсас кескінді алуға болады (Ref. [39] ескермесін қараңыз), тікелей сәулелену бағытының екі жағындағы үлкен бұрыштарда қызыл жиектен ақ жолаққа өтетін кескін пайда болады. Алайда, көру бойынша ұқсастық жақын болғанымен, бұл тәжірибеде жалған күйдіргіш механизм болмайды, сондықтан бұл нағыз аналог емес.

Химиялық тәсілдер

Жасанды галоларды жасаудың алғашқы химиялық рецептерін Брюстер ұсынды, ал 1889 жылы А. Корну оны одан әрі зерттеді. Идея тұз ерітіндісін тұндыру арқылы кристалдар жасау болып табылды. Осылайша пайда болған көптеген кішкентай кристалдар жарықпен жарықтандырылғанда, кристаллдың геометриясына және бағытына/орналасуына сәйкес галоларды тудырады. Әртүрлі рецепттер бар және олар әлі де ашылуда. Мұндай тәжірибелердің көбінесе нәтижесі - сақиналар. Бірақ осылай Пэри аркалары да жасанды түрде жасалды.

Бір осі

Гало құбылысы туралы ең алғашқы тәжірибелік зерттеулер 1847 жылы Огюст Бравеске еске тірелді. Браве вертикальді осі бойынша айналатын теңқабырлы шыны призманы қолданды. Параллель ақ жарықпен жарықтандырылғанда, ол жасанды паргеликалық шеңбер мен көптеген ішкі паргелияларды жасады. Сол сияқты, А. Вегенер жасанды субпаргелия жасау үшін алтыбұрышты айналатын кристалдарды пайдаланды. Бұл тәжірибенің жаңадан жасалған нұсқасында, коммерциялық түрде қолжетімді алтыбұрышты BK7 шыны кристалдарын пайдалана отырып, көптеген ішкі паргелиялар табылды. Мұндай қарапайым тәжірибелер білім беру және демонстрациялық мақсаттарда қолданылуы мүмкін. Өкінішке орай, шыны кристалдарын қолдану арқылы циркумзениттік доғаны немесе циркумгоризонтальді доғаны қайта жасау мүмкін емес, себебі ішкі толық шағылысулар қажетті сәуле жолдарын болдырмайды. Браведан бұрын итальян ғалымы Ф. Вентури циркумзениттік доғаны көрсету үшін сумен толтырылған сүйір призмалармен тәжірибе жасады. Алайда, бұл түсіндірме кейіннен Браве берген CZA-ның дұрыс түсіндірмесімен алмастырылды. Мұз кристалдарын қолдану жасалған галолардың табиғи құбылыстармен бірдей бұрыштық координаталарына ие болуын қамтамасыз етеді. Фторид натрий (NaF) сияқты басқа кристалдардың да сыну көрсеткіші мұзға жақын және бұрын қолданылған.

Екі ось

Таңбалық доғалар немесе шеңберлі гало сияқты жасанды галоларды жасау үшін бір бағанды алтыбұрышты кристалды 2 осьтің айнала айналдыру қажет. Сол сияқты, Ловиц доғаларын бір пластиналы кристалды екі осьтің айнала айналдыру арқылы жасауға болады. Бұл инженерлік гало машиналары арқылы іске асырылуы мүмкін. Мұндай машиналардың алғашқысы 2003 жылы құрастырылды, содан кейін тағы бірнешесі пайда болды. Мұндай машиналарды сфералық проекциялық экрандардың ішіне орналастырып, «аспан түрлендіру» принципі бойынша салыстырғанда, ұқсастық дерлік толық. Аталған машиналардың микро-нұсқаларын пайдалану арқылы мұндай күрделі жасанды галолардың бұрмаланусыз нақты проекцияларын жасауға болады. Соңында, мұндай гало машиналары жасаған бірнеше кескіндер мен проекциялардың суперпозициясы бір кескінді құру үшін біріктірілуі мүмкін. Нәтижесінде алынған суперпозициялық кескін мұз призмаларының көптеген әртүрлі бағытталған жиынтықтарын қамтитын күрделі табиғи гало көрінісін бейнелейді.

Үш осьті

Дөңгелек галоларды эксперименттік түрде қайта жасау бір ғана кристалды пайдалану арқылы ең қиынға соғады, ал химиялық рецепттерді қолдану арқылы ең оңай және көбінесе қол жеткізіледі. Бір кристалды пайдаланғанда, кристалдың барлық мүмкін 3D кеңістіктегі бағыттарын іске асыру қажет. Бұл жақында екі тәсілмен жүзеге асырылды. Біріншісі пневматика және күрделі жабдықтарды қолдану арқылы, ал екіншісі – Arduino негізіндегі кездейсоқ қозғалыс машинасы арқылы, ол мөлдір, жұқа қабырғалы шар ішіне орналастырылған кристалды стохастикалық түрде қайта бағыттайды.