Гало, наблюдаемые в действительности

Как же возникают гало? Все формы гало являются результатом преломления солнечных или лунных лучей в ледяных кристаллах облака либо их отражения от боковых граней или оснований кристаллов, имеющих форму шестигранных столбиков или пластинок. Строго говоря, на кристаллах происходит дифракция солнечных или лунных лучей.

Объясним возникновение гало на основании законов геометрической оптики. Тем более что подавляющее большинство наблюдаемых явлений весьма успешно объясняются законами преломления и отражения.

Ледяные кристаллы облаков относятся к так называемым гексагональным, так как их сечения, перпендикулярные главной оси кристалла, представляют собой шестиугольники. Правильные гексагональные кристаллы бывают двух крайних типов: с хорошо развитой главной осью (рис. 1.3 а) —это ледяные шестигранные столбики (по форме похожие на карандаши) или ледяные иглы, и с плохо развитой главной осью (рис. 1.3 б) — это шестигранные пластинки. Ко второму типу относятся все виды снежинок.

1.3 Ледяные кристаллы

Кристаллы в облаке живут сложной жизнью. Они совершают самые разнообразные движения, то опускаются, то поднимаются, испытывая действие многих процессов, происходящих в различных частях облака. Кристаллы могут обтаивать, опускаясь в более теплые слои, или, наоборот, на их концах и углах может откладываться изморозь. Таким образом, в частности, шестигранные пластинки превращаются в снежинки. Кристаллы смерзаются, слипаются, у снежинок обламываются концы и т. д. В результате этих процессов кристаллы теряют правильную форму.

Хотите убедиться в этом? Посмотрите на снежинки, упавшие на рукав темного пальто или на любую темную поверхность. Найдете ли вы хоть одну снежинку, у которой все шесть лучей имеют одинаковую длину?

Или две во всем одинаковые снежинки? Нет. Обязательно один или два, а то и три лучика обломаны. Все концы у снежинки оказываются разной длины.

В образовании гало разных форм большую роль играет ориентация кристаллов, т. е. положение их главных осей, при падении в атмосфере. Известно, что все тела, в том числе и кристаллы, при падении в воздухе испытывают аэродинамическое торможение и стремятся ориентироваться так, чтобы встретить максимальное сопротивление воздуха. В то же время броуновское движение и атмосферные флюктуации способствуют хаотической ориентации кристаллов. Эти факторы сильнее действуют на мелкие кристаллы или тонкие столбики, поэтому у них преобладает хаотическая ориентация. На большие столбчатые кристаллы и пластинки сильнее действует аэродинамическое торможение, и они падают ориентированно. Переход от хаотического к ориентированному положению определяется отношением толщины кристалла к его длине. Если это отношение приблизительно равно 1, такие кристаллы называют кубикообразными.

Таким образом, большие ледяные столбики и иглы падают так, что их главные оси принимают горизонтальное положение, т. е. боковой гранью вниз, достаточно большие пластинки или снежинки — так, что их главные оси принимают вертикальное положение, т. е. основаниями вниз, а разнообразные кристаллы неправильной формы падают при хаотическом положении главных осей.

Рассмотрим, как происходит преломление солнечного или лунного света в ледяных кристаллах облаков.

Можно показать, что луч света, вошедший в ледяной кристалл (шестигранную призму), может выйти из него, если двугранный преломляющий угол меньше 99°32'. В кристаллах льда имеются два угла, удовлетворяющих этому условию: угол 60° — между боковыми гранями, взятыми через одну, и угол 90° — между боковой гранью и основанием.

1.4 Ход светового луча в ледяном кристалле

Пусть солнечный луч падает на боковую грань кристалла (рис. 1.4) под углом падения i, угол его преломления r, угол выходящего из кристалла луча с другой гранью i' и соответствующий ему угол преломления r'. Угол отклонения луча от первоначального направления по выходе из кристалла

где А — преломляющий угол призмы.

Гало, так же, как и радугу, образуют лучи, испытавшие минимальное отклонение в результате прохождения кристалла. Это имеет место при условии: i = i' и r = r'. Таким образом,

Условие преломления для минимально отклоненного луча запишется:

где n — показатель преломления льда.

1.2.1 Гало радиусом 22°

Рассмотрим несколько случаев прохождения лучей через кристаллы.

1) Главные оси кристаллов вертикальны. Солнце находится на горизонте. Его лучи входят в боковые грани и выходят также через боковые грани, взятые через одну. При таком пути луча шестигранный ледяной кристалл, по существу, работает как трехгранная призма с преломляющим углом 60°. При преломлении лучей происходит разложение белых лучей в спектр (дисперсия), и поэтому из кристалла выходит пучок цветных лучей, образующих пятна ложных солнц справа и слева от Солнца на угловых расстояниях: красные лучи (n = 1,307) D_{min k} = 21°34', фиолетовые лучи (n = 1,317) D_{min ф} = 22°22'. Остальные цветовые лучи займут промежуточное положение между красными и фиолетовыми (рис. 1.5).

Лучи, упавшие на грани кристаллов под другими углами, испытывают большее отклонение и будут образовывать светлые хвосты ложных солнц, обращенных в сторону, противоположную Солнцу.

1.5 Образование ложных солнц и гало радиусом 22 и 46 градусов

2) Главные оси кристаллов горизонтальны. Солнце также на горизонте. Аналогично предыдущему случаю, появятся ложные солнца над и под Солнцем на таком же угловом расстоянии.

3) Ориентация главных осей кристаллов хаотическая. При такой ситуации возникнут ложные солнца во всевозможных направлениях, образуя целый круг гало угловым радиусом 22°. Так как хаотическая ориентация кристаллов является наиболее вероятной (для не очень крупных кристаллов и кристаллов неправильной формы), чаще всего и появляются круги гало и значительно реже — ложные солнца.

1.2.2 Гало радиусом 46°

Повторим предыдущие рассуждения для лучей, которые входят через боковую грань, а выходят через основания, или наоборот. При этом преломляющий угол кристалла равен 90°. В первых двух рассмотренных выше случаях возникнут ложные солнца над и под Солнцем и слева и справа от него соответственно (рис. 1.5). Минимальные отклонения крайних цветных лучей равны: D_{min k} = 45°44' и D_{min ф} = 48°08'. При хаотической ориентации главных осей образуется круг гало вокруг Солнца (или Луны) с угловым радиусом около 46° и таким же расположением цветов, как и в круге гало 22°.

При увеличении высоты Солнца над горизонтом от 0 до 30° круг гало 22° растягивается до 28°, а хвосты ложных солнц немного укорачиваются. При более высоком положении Солнца гало практически не наблюдаются.

Касательные дуги. Из разнообразных касательных дуг чаще всего появляются горизонтальные касательные дуги (верхняя и нижняя) к гало радиусом 22°.

При всех изменениях кристаллов в облаке дольше всего сохраняется двугранный угол 60° у столбчатых форм кристаллов. Эти кристаллы падают при горизонтальном положении главных осей, и при преломлении в них, как уже говорилось, образуются ложные солнца над и под Солнцем. За счет вибрации главных осей кристаллов в горизонтальной плоскости ложные солнца размываются в верхнюю и нижнюю касательные дуги.

Боковые касательные дуги к гало 22° наблюдаются крайне редко. Это объясняется тем, что они могли бы быть образованы кристалликами, падающими при вертикальном положении главных осей, т. е. пластинками или снежинками, однако такие кристаллы содержат много пузырьков воздуха, полостей, лед в них неоднороден, и они редко могут дать правильное прохождение света.

Характер окраски у всех цветных гало одинаков. Часть гало, обращенная к Солнцу, окрашена в красный цвет, а противоположная — в синевато-сиреневый. У кругов гало красным является их внутренний край, у касательных дуг — часть дуги, а у ложных солнц — бок, обращенный к Солнцу.

Белые Гало

Все белые (неокрашенные) гало возникают при отражении солнечных или лунных лучей от граней или оснований кристаллов. При отражении дисперсии белых лучей не происходит, и возникающие гало оказываются белыми. При образовании белых гало также важна ориентация отражающих частей кристаллов, играющих роль зеркала. Рассмотрим два случая.

1.6 К объяснению возникновения световых столбов: а – под Солнцем, б – над Солнцем

1) Горизонтальная ориентация отражающих частей кристаллов. Такое положение при падении в воздухе принимают боковые грани ледяных столбиков и основания пластинок или снежинок. Если кристаллы совершают при этом еще небольшие колебания в вертикальной плоскости, то при отражении от них появятся световые столбы над и под Солнцем (рис. 1.6).

Видели ли вы световую лунную дорожку на воде, покрытой рябью? Возникновение столба совершенно аналогично отражению лунного диска в воде. Высота солнечных столбов может достигать 40°.

2) Вертикальная ориентация отражающих частей кристаллов. Такое положение при падении принимают основания ледяных столбиков и боковые грани пластинок. Угол падения лучей на отражающие части кристаллов может быть любым от 0 до 90°, и поэтому отраженные световые лучи идут во всевозможных направлениях и образуют белый горизонтальный круг.

Горизонтальный круг часто виден не целый, а кусками. В местах его пересечения с гало радиусом 22 или 46° образуются кресты. Крест, в центре которого находится Солнце, возникает при пересечении световых столбов с горизонтальным кругом.

Date: 2016-06-06; view: 1454; Нарушение авторских прав