Введение

Оптическое явление неба

Гало – это оптическое явление, возникающее в результате взаимодействия света (обычно от Солнца или Луны) с кристаллами льда, взвешенными в атмосфере. Гало могут проявляться в различных формах – от цветных или белых колец до дуг и пятен на небе. Многие из них наблюдаются вблизи Солнца или Луны, но другие возникают в других местах или даже в противоположной части неба. К наиболее известным типам гало относятся круглое гало (правильно называемое 22° гало), световые столбы и солнечные столбы, однако существует множество других; некоторые встречаются довольно часто, а другие – крайне редко. Ледяные кристаллы, ответственные за образование гало, обычно взвешены в перистых или перисто-слоистых облаках в верхней тропосфере, но в холодную погоду они также могут находиться близко к земле, в этом случае их называют алмазной пылью. Конкретная форма и ориентация кристаллов определяют тип наблюдаемого гало. Свет отражается и преломляется кристаллами льда и может разделяться на цвета из-за дисперсии. Кристаллы действуют как призмы и зеркала, преломляя и отражая свет между своими гранями, направляя лучи света в определенных направлениях. Атмосферные оптические явления, такие как гало, входили в народные представления о погоде, которые являлись эмпирическим методом прогнозирования погоды до развития метеорологии. Они часто указывают на вероятность выпадения осадков в течение следующих 24 часов, поскольку перисто-слоистые облака, вызывающие их появление, могут сигнализировать о приближении фронтальной системы. Другие распространенные типы оптических явлений, связанные с каплями воды, а не с кристаллами льда, включают в себя иризацию и радугу.

История

Хотя Аристотель упоминал о галло и паргелии в античности, первыми европейскими описаниями сложных оптических явлений были работы Кристофа Шейнера в Риме (около 1630 года), Иоганна Гевелия в Данциге (1661 год) и Тобиаса Ловица в Санкт-Петербурге (около 1794 года). Китайские наблюдатели записывали подобные явления на протяжении столетий, первое упоминание о них содержится в разделе «Официальной истории династии Цзинь» (Цзинь Шу) 637 года, в разделе «Десять гало», где приведены технические термины для 26 видов гало.

Ведерсолставалан

Хотя Vädersolstavla (швед. "Картина с солнечными столбами", дословно "Картина с погодным солнцем") наиболее известна и часто цитируется как самое старое цветное изображение города Стокгольма, она, вероятно, также является одним из древнейших известных изображений гало, включая пару солнечных столбов. В течение двух часов утра 20 апреля 1535 года небо над городом было заполнено белыми кругами и дугами, пересекающими небосвод, а вокруг Солнца появились дополнительные солнца (то есть солнечные столбы).

Световой столб

Световой столб, или солнечный столб, выглядит как вертикальный столб света, поднимающийся от Солнца незадолго до заката или восхода, хотя он может появляться и ниже Солнца, особенно если наблюдатель находится на большой высоте. Это явление вызвано шестиугольными пластинчатыми и столбчатыми кристаллами льда. Пластинчатые кристаллы обычно формируют столбы только когда Солнце находится в пределах 6 градусов от горизонта, в то время как столбчатые кристаллы могут создавать столб, когда Солнце поднялось до 20 градусов над горизонтом. Кристаллы, как правило, ориентируются почти горизонтально при падении или парении в воздухе, и ширина и видимость светового столба зависят от их выравнивания. Световые столбы могут также образовываться вокруг Луны, уличных фонарей или других ярких источников света. Столбы, формирующиеся от наземных источников света, могут казаться значительно выше, чем те, что связаны с Солнцем или Луной. Поскольку наблюдатель находится ближе к источнику света, ориентация кристаллов играет меньшую роль в формировании таких столбов.

Круглое ореоло

Среди наиболее известных гало – гало 22°, часто называемое просто «гало», которое выглядит как большое кольцо вокруг Солнца или Луны с радиусом около 22° (примерно ширина вытянутой руки на расстоянии вытянутой руки). Ледяные кристаллы, вызывающие гало 22°, ориентированы полуслучайным образом в атмосфере, в отличие от горизонтальной ориентации, необходимой для некоторых других гало, таких как солнечные столбы и световые столбы. В результате оптических свойств задействованных ледяных кристаллов свет не отражается внутрь кольца, оставляя небо заметно темнее, чем небо вокруг него, и создавая впечатление «дыры в небе». Гало 22° не следует путать с короной, которая является другим оптическим явлением, вызванным капельками воды, а не ледяными кристаллами, и которое выглядит как разноцветный диск, а не кольцо. Другие гало могут формироваться под углом 46° к Солнцу, на горизонте или вокруг зенита и могут появляться в виде полных гало или неполных дуг.

Кольцо бутылочников

Кольцо Боттлингера — редкий тип гало, имеющий эллиптическую, а не круговую форму. Оно обладает небольшим диаметром, из-за чего его очень сложно увидеть в солнечном свете, и его чаще замечают вокруг более тусклого подсолнца, который часто наблюдается с горных вершин или из самолётов. Кольца Боттлингера пока недостаточно изучены. Предполагается, что они формируются очень плоскими пирамидальными кристаллами льда с гранями под необычно малыми углами, ориентированными горизонтально в атмосфере. Эти точные и физически сложные условия объясняют редкость данного гало.

Другие названия

В корнуолльском диалекте английского языка гало вокруг солнца или луны называется "петушиный глаз" и является предзнаменованием плохой погоды. Этот термин связан с бретонским словом kog heol (петух солнца), которое имеет такое же значение. В Непале гало вокруг солнца называется Индрасабха, что подразумевает двор собраний Господа Индры – индуистского бога молнии, грома и дождя.

Искусственные гало

Природные явления могут быть воспроизведены искусственно несколькими способами. Во-первых, с помощью компьютерного моделирования, а во-вторых, экспериментальными методами. Что касается последнего, это происходит при вращении монокристалла вокруг соответствующей оси или осей, либо посредством химического подхода. Еще один, более косвенный экспериментальный подход – поиск аналогичных геометрий преломления.

Аналогичный метод преломления

[[Файл:Искусственная CZA.png|thumb|Эксперимент, аналогичный демонстрации преломления, для циркумзенитальной дуги. Особенно простой настольный эксперимент искусственно воспроизводит красочные циркумзенитальные и циркумгоризонтальные дуги, используя только стакан воды. Преломление света через цилиндр воды оказывается (почти) идентичным усредненному по вращению преломлению через вертикальные шестиугольные кристаллы льда или ориентированные пластинчатые кристаллы, тем самым создавая ярко окрашенные циркумзенитальные и циркумгоризонтальные дуги. Фактически, эксперимент с водяным стаканом часто принимают за радугу и он известен как минимум с 1920 года. Вслед за идеей Гюйгенса о (неверном) механизме 22° парелий, можно также освещать (сбоку) цилиндрический сосуд, заполненный водой, с внутренним центральным препятствием, диаметр которого составляет половину диаметра сосуда, чтобы при проецировании на экран получить изображение, близкое к парелиям (см. сноску [39] в источнике), с внутренним красным краем, переходящим в белую полосу под большими углами по обе стороны от направления прямого света. Однако, несмотря на близкое визуальное сходство, этот конкретный эксперимент не включает в себя ложный каустический механизм и, следовательно, не является настоящим аналогом.

Химические подходы

Самые ранние химические рецепты для создания искусственных гало были предложены Брюстером и далее исследованы А. Корну в 1889 году. Идея заключалась в получении кристаллов путем осаждения из солевого раствора. Множество мелких кристаллов, образующихся таким образом, при освещении вызывают гало, соответствующие конкретной геометрии и ориентации кристаллов. Существует несколько рецептов, и новые продолжают открываться. Кольца – типичный результат таких экспериментов, но таким способом были искусственно получены и дуги Пэрри.

Одноосевая

Самые ранние экспериментальные исследования феномена гало приписываются Огюсту Браве в 1847 году. Браве использовал равностороннюю стеклянную призму, которую он вращал вокруг своей вертикальной оси. При освещении параллельным белым светом это создавало искусственный парелический круг и множество встроенных парелий. Аналогичным образом, А. Вегенер использовал вращающиеся шестиугольные кристаллы для получения искусственных субпарелий. В более поздней версии этого эксперимента с использованием коммерчески доступных шестиугольных стеклянных кристаллов BK7 было обнаружено еще больше встроенных парелий. Такие простые эксперименты могут использоваться в образовательных целях и для демонстраций. К сожалению, с помощью стеклянных кристаллов невозможно воспроизвести верхнюю дугу или нижнюю дугу из-за полного внутреннего отражения, которое препятствует формированию необходимых траекторий лучей. Еще раньше, чем Браве, итальянский ученый Ф. Вентури экспериментировал с заостренными водяными призмами для демонстрации верхней дуги. Однако позднее это объяснение было заменено правильным объяснением верхней дуги, предложенным Браве. Использование ледяных кристаллов гарантирует, что созданные гало имеют те же угловые координаты, что и природные явления. Другие кристаллы, такие как фторид натрия (NaF), также имеют показатель преломления, близкий к показателю преломления льда, и использовались в прошлом.

Две оси

Для получения искусственных гало, таких как касательные дуги или вписанное гало, необходимо вращать один столбчатый гексагональный кристалл вокруг двух осей. Аналогично, дуги Ловица можно создать, вращая один пластинчатый кристалл вокруг двух осей. Это возможно с помощью специально разработанных гало-машин. Первая такая машина была построена в 2003 году, затем появились и другие. Размещая такие машины внутри сферических проекционных экранов и используя принцип так называемого преобразования неба, можно добиться почти идеального сходства. Реализация с использованием микроверсий упомянутых машин позволяет получать аутентичные, неискаженные проекции таких сложных искусственных гало. Наконец, суперпозиция нескольких изображений и проекций, созданных такими гало-машинами, может быть объединена в одно изображение. Полученное изображение суперпозиции представляет собой модель сложных естественных гало-дисплеев, содержащих множество различных наборов ориентации ледяных кристаллов.

Три оси

Экспериментальное воспроизведение циркулярных гало наиболее сложно осуществить, используя только один кристалл, в то время как это наиболее простой и обычно достигаемый метод с использованием химических рецептур. Для использования одного кристалла необходимо реализовать все возможные трёхмерные ориентации кристалла. Этого недавно удалось достичь двумя подходами. Первый подход использует пневматику и сложную систему креплений, а второй – устройство на базе Arduino, которое стохастически переориентирует кристалл, помещённый внутрь прозрачной тонкостенной сферы.