Гало по расположению на небе

ВВЕДЕНИЕ

Что такое радуга, знает каждый читатель, все мы не раз видели её. Иное дело – увидеть гало. По сравнению с радугой это оптическое явление значительно более редкое. Без сомнения, многим не доводилось видеть его; более того, многие, наверное, даже не слышали о нём.

Это удивительное явление воспринималось в давние времена как «божье знамение»; оно повергало в трепет непросвещённых людей, порождало суеверия. Наблюдая на небе светящиеся кольца (они возникают вокруг Солнца или Луны), столбы или кресты, да к тому же иногда имеющие «жутковатый» красный оттенок, люди воспринимали их как божественные ореолы, кресты, кровавые мечи и т.п. Они считали, что эти «знамения» предвещают несчастья – войны, голод, болезни и прочие страдания.

Все эти «знамения» в действительности представляют собой оптическое явление в атмосфере – гало. Это название происходит от греческого halos – «круг». Гало обычно появляется вокруг Солнца или Луны, иногда вокруг других мощных источников света, таких как уличные фонари или прожекторы. Но что же такое гало и как оно получается?

Гало по своей природе родственно радуге. Радуга возникает в результате преломлений и отражений световых лучей в каплях дождя, а гало связано с преломлениями и отражениями света в ледяных кристалликах облаков. Своей поражающей воображение симметрией гало обязано правильной форме ледяных кристалликов, а вид наблюдаемого гало зависит от их формы и расположения в атмосферном воздухе.

ФИЗИКА ГАЛО

Структура Гало

Самый простой ответ — радуга вокруг солнца. Радуга, которая создается не капельками воды (как обычная радуга), а радуга, которая создается ледяными кристалликами. Наблюдать гало на небе можно в любое время года, ночью и днем, вокруг солнца или луны и даже вокруг фонарей или ламп (последнее возможно только в холодную погоду).

Гало обычно появляется вокруг Солнца или Луны, иногда вокруг других мощных источников света, таких как уличные огни. Существует множество типов гало и вызваны они преимущественно ледяными кристаллами в перистых облаках на высоте 5—10 км в верхних слоях тропосферы. Вид гало зависит от формы и расположения кристаллов. Отражённый и преломлённый ледяными кристаллами свет нередко разлагается в спектр, что делает гало похожим на радугу. Наиболее яркими и полноцветными бывают паргелии и зенитная дуга, менее яркими — касательные малого и большого гало. В малом 22-градусном гало различима только часть цветов спектра (от красного до жёлтого), остальная часть выглядит белой из-за многократного смешения преломленных лучей. Паргелический круг и ряд других дуг гало почти всегда белые. Интересна особенность большого 46-градусного гало — оно тусклое и малоцветное, в то время как почти совпадающая с ним при малой высоте Солнца над горизонтом верхняя касательная дуга имеет выраженные радужные цвета.

В тусклом лунном гало цветов глазом не видно, что связано с особенностями сумеречного зрения.

Рис.1.1 Преломление света на ледяных кристаллах

Иногда в морозную погоду гало образуется кристаллами очень близко к земной поверхности. В этом случае кристаллы напоминают сияющие драгоценные камни (т. н. алмазная пыль), а нижняя часть гало может быть видна на фоне окружающего пейзажа, если Солнце находится достаточно низко над горизонтом.

Следует отличать гало от венцов. Последние имеют меньший угловой размер (до 5°) и объясняются дифракционным рассеянием лучей источника света на водяных каплях, образующих облако или туман.

Световой столб

Световой, или солнечный, столб — это вертикальная полоса света, тянущаяся от Солнца во время заката или восхода. Явление вызывается шестиугольными плоскими либо столбовидными ледяными кристаллами, ориентированными в воздухе более или менее упорядоченно. Плоские кристаллики могут вызывать солнечные столбы, если Солнце находится не выше 6° над горизонтом, а столбовидные — даже при 20°. Вид светового столба (в частности, ширина) зависит от степени упорядоченности ориентации кристаллов.

Если Солнце или Луна просвечивает через тонкие перисто-слоистые облака, состоящие из ледяных кристаллов, на небе часто появляются световые явления, называемые гало. В русских летописях их называют галосами.

Явления гало отличаются большим многообразием. Наиболее часто наблюдается радужный круг вокруг Солнца угловым радиусом 22°, реже концентрический с ним круг угловым радиусом 46° и совсем редко круг 90° (гало Гевелия). Иногда виден белый горизонтальный, или паргелический круг, проходящий через Солнце и параллельно плоскости горизонта. На пересечении этого круга с кругами гало 22 и 46° появляются яркие радужные пятна ложные (или побочные) солнца, или паргелии, а также ложные луны, или парселены. Ложные солнца и луны могут быть и в других местах белого горизонтального круга, который потому и называется паргелическим кругом. Довольно часто возникают касательные дуги к кругам гало, чаще горизонтальные и реже боковые.

В моменты, близкие к заходу или восходу Солнца, как правило, когда оно находится на небольшой глубине под горизонтом, над Солнцем, а иногда и под ним появляются световые столбы. На паргелическом круге против Солнца или Луны возникает светлое пятно — противосолнце (антелий) или противолуна (антиселена). Светлое пятно в солнечном вертикале, диаметрально противоположное Солнцу, называют нижним солнцем. Нередко возникают касательные дуги к гало 22 и 46°, чаще горизонтальные и реже вертикальные. Бывают и другие косые дуги — около антелия, в окрестностях зенита. Некоторые формы гало имеют персональные названия по имени авторов, их обнаруживших и описавших — гало Гевелия, гало Бугера, дуги Ловица, дуги Перри и др. Положение на небосводе большинства перечисленных форм гало показано на рисунке 1.2.

рис 1.2. Положение на небосводе различных явлений гало

Гало могут возникнуть и в облачных следах за самолетами.

Из различных форм гало наиболее часто появляется круг гало радиусом 22°. Например, в Ленинграде, Москве его можно видеть в среднем раз в три дня. В штате Висконсин (США) он наблюдается еще чаще — 160 дней в году, т. е. в среднем через день. Повторяемость гало обусловлена частотой появления перисто-слоистых облаков. Круг гало радиусом 46° более редкий, его можно видеть всего несколько раз в году.

Часто на небе наблюдается одновременно несколько форм гало. Сложный комплекс из разнообразных гало наблюдался в Петербурге 18 июля 1794 г. Он был тщательно зарисован и описан петербургским астрономом Т. Ловицем и вошел в литературу под названием Петербургского феномена. На небе одновременно наблюдалось 12 различных кругов и дуг, из них 9 цветных. Описаны и другие сложные гало, которые наблюдались в разных местах земного шара.

Появление на небе одновременно нескольких солнц, световых крестов, косых дуг, которые, особенно во время зари, казались „кровавыми мечами", в прежние времена вызывало у людей страх, рождало суеверия, воспринималось как предвестие большой беды — войны, голода. Приведем пример из истории нашей родины, когда появление редких световых явлений сказалось на настроении людей, их видевших. Я имею в виду поход князя Игоря против половцев в конце XII в. Как только князь Игорь с войском выступил 1 мая 1185 г., произошло солнечное затмение. Тогда Игорь взглянул на светлое солнце и увидел, что оно тьмою воинов его прикрыло." Но гордые князья не повернули коней. Первое сражение с половцами было победным. А затем бились еще три дня. Превосходящие по численности половцы начали одолевать русских. И тут четыре солнца появились на небе.

Таблица 1.1

Отличие гало от радуги

Гало по расположению на небе

Гало расположенные близко к солнцу: 22° гало и прилегающие к нему касательные дуги, паргелии, дуги Парри, Ловица, редкие гало пирамидальных кристаллов,световые столбы, эллиптические гало.

Гало на расстоянии 46° и дальше от солнца: большое гало и его касательные дуги, 46 градусные дуги Ловица, зенитная и окологоризонтная дуги, 44° паргелии, 90° гало.

Гало, охватывающие все небо: паргелический круг, солнечная петля, дуга Хастингса.

Гало в противоположной солнцу части неба: 120° паргелии, дуги Вегнера, Гринлера, паргелии Лилеквиста, противосолнце, субсолнечная петля отраженные в плоскости горизонта гало(суб гало): субсолнце, субпаргелии и другие суб- гало.

По окрашенности белые гало: светлые, бесцветные, белые дуги и пятна на небе: паргелический круг.

Радужныегало, слабоокрашенные: только красный, оранжевый и белый цвет: 22° гало;

Радужные гало, полноцветные: видны также синий и зеленый цвета: касательные дуги 46° гало, окологоризонтная дуга.

По частоте наблюдения

Часто наблюдаемые (несколько раз в год): 22° гало, паргелии (22°), касательные дуги (22°) (верхняя и нижняя касательная дуга, опоясывающее гало), световые столбы, зенитная дуга.

Редкие гало (один раз в год, в несколько лет): 46° гало, 9° гало, касательные дуги (46°), окологоризонтная дуга, субсолнце.

Очень редкие гало (наблюдались всего несколько раз): дуги Ловица.

Гало паралельных лучей света (Parallel-light halos, PLH). Это практически все гало от солнца, луны, планет и т.д., так как свет идущий от таких далеких источников можно моделировать параллельными лучами света.

Гало расходящихся лучей света (Divergent-light halos, DLH). К данному классу относятся гало от близких источников света, от прожекторов, фонарей, ламп и т.д. Для моделирования таких гало приходится учитывать, что в каждую точку пространства луч света попадает по разному (разные углы падения) и, соответственно, отражается по разному. Теория таких гало более сложная, а выглядят они в расходящихся лучах немного не так, как обычно:

§ По форме и ориентации кристаллов, образующих гало

§ Произвольно ориентированные кристаллы

§ Горизонтально ориентированные колоннообразные кристаллы

Другие названия: шестигранные столбики (по форме похожие на карандаши) или ледяные иглы, с хорошо развитой главной осью: световые столбы (некоторые виды), касательные дуги (22°), паргелический круг (один из способов его образования), касательные дуги 46°, дуга Вегнера, дуги Гринлера, (Greenler arcs, diffuse arcs, diffuse anthelic arcs A B), антгелий, Дуга Трикера (один из способов образования), subheliac arc, Горизонтально ориентированные плоские призмы.

Другие названия: с плохо развитой главной осью, шестигранные пластинки световые столбы (некоторые виды): 22° паргелии, зенитная и окологоризонтная дуги, паргелический круг (один из способов его образования), субсолнце, 120° паргелии, паргелии Лилеквиста (Liljequist parhelia), субпаргелии и субпаргелический круг, субпаргелии Лилеквиста (Liljequist subparhelia), superparhelia (artificial light source halo), "upper subsun pillar" (artificial light source halo), 44° паргелии, Ориентация Ловица (плоские вращающиеся пластинки), дуги Ловица, отраженные дуги Ловица (Reflected Lowitz arcs (sub-Lowitz arcs)), 120° дуги Ловица (Lowitz arcs, 120° parhelic arcs), 46° дуги Ловица (= 46° contact arcs).

Ориентация Парри (горизонтально ориентированные колоннообразные кристаллы с горизонтальными гранями):

§ Дуги Парри (22°)

§ Дуги Парри (46°)

§ дуга Хастингса (Hastings arc, Hastings anthelic arc)

§ Дуга Трикера (один из способов образования)

§ солнечная петля (heliac arc)

§ субсолнечная петля (subheliac arc)

§ subantheliac arc (= antisolar arc)

§ Случайно ориентированные пирамидальные кристаллы (odd radius halos)

§ 9° гало (van Buijsen's halo)

§ 18° гало (Rankin's halo)

§ 20° гало (Burney's halo)

§ 23° гало (Barkow's halo)

§ 24° гало (Dutheil's halo)

§ 35° гало (Feuillée's halo)

Ориентированные плоские пирамидальные кристаллы:

§ 9° паргелии (= 9° plate arcs)

§ 18° паргелии (= 18° plate arcs)

§ 20° паргелии (= 20° plate arcs)

§ 23° паргелии (= 23° plate arcs)

§ 24° паргелии (= 24° plate arcs)

§ 35° паргелии (= 35° plate arcs)

§ odd radius heliac arc (= pyramidal heliac arc)

Ориентированные колоннообразные пирамидальные кристаллы:

§ 9° tangent arcs (= 9° column arcs) - аналог опоясывающего гало

§ 18° tangent arcs (= 18° column arcs)

§ 20° tangent arcs (= 20° column arcs)

§ 23° tangent arcs (фотографии отсутствуют пока еще)

§ 24° tangent arcs (= 24° column arcs)

§ 35° tangent arcs (= 35° column arcs)

§ Гало, у которых нет достоверной теории

Многие гало пока не объясняются достоверно, существуют различные теории, версии. В таблицу с классификацией эти гало не включены. Эллиптические гало (elliptical halos), различают по размеру.

Нетипичные кристаллы обозначает то, они не могут быть объяснены обычными шестиугольными или пирамидальными кристаллами льда. Удовлетворительной теории пока нету.

Гало на кубических кристаллах:

§ 19° дуги

§ 19° lateral arcs

§ 19° верхняя дуга

§ 19° нижняя дуга

§ 28° Гало (Scheiner's halo)

§ Lascar arcs (28° arcs)

§ upper tangent Lascar arc A

§ lower tangent Lascar arc

§ supralateral Lascar arcs

§ infralateral Lascar arcs

§ 28° паргелии

§ 28° верхний паргелий

Кубические ледяные кристаллы были предложены для объяснения фотографии в Чили 1997. Это объяснение не достаточно подтверждено и имеет некоторые слабые места, но оно лучшее из всех что есть. Наблюдение 1997 года было уникальным, ничего подобного никогда не описывалось и не встречалось нигде ранее. Достоверно известно только одно: шестиугольными кристаллами его объяснить невозможно.

28° гало часто называют "Scheiner's halo", Однако не совсем ясно, что на самом деле наблюдал Scheiner, и это название спорно.