W połowie stycznia mieliśmy okazję podziwiać niecodzienne zjawisko atmosferyczne – halo słoneczne w formie okręgu. Halo 22 zwane też „małym” zachodzi na zawartych w chmurach kryształach lodu w kształcie graniastosłupa o podstawie sześciokąta foremnego.

Podstawowe zjawiska fizyczne tam zachodzące to załamanie i odbicie światła na granicy ośrodków lód – powietrze. Kąt padania, odbicia, załamania określany jest w stosunku do normalnej (płaszczyzny prostopadłej do granicy ośrodków). Dla promienia padającego na granicę od strony ośrodka o większym współczynniku załamania (lodu) występuje kąt graniczny. Jeśli promień będzie padał pod kątem większym od granicznego, wtedy następuje całkowite wewnętrzne odbicie (jak w światłowodzie) – załamanie nie występuje – światło pozostaje wewnątrz kryształu.

Na niebiesko – kąt graniczny, promień zielony ulega odbiciu i załamaniu, promień czerwony ulega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu.
rys. Rafał Wojtyniak

Promienie słoneczne mogą przechodzić przez kryształ na kilka sposobów.

Przejście bez zmiany kierunku. Po prawej – przesunięcie równoległe.
rys. Rafał Wojtyniak

Od kąta i miejsca padania światła na kryształ zależy odchylenie biegu promieni od kierunku pierwotnego.

Po prawej – przejście z jednym całkowitym wewnętrznym odbiciem.
rys. Rafał Wojtyniak

Może występować przejście bez zmiany kierunku (z przesunięciem równoległym lub bez), ugięcie w stronę powierzchni ziemi lub zawrócenie wiązki.

Przejście światła przez kryształ – z pięcioma lub trzema całkowitymi wewnętrznymi odbiciami.
rys. Rafał Wojtyniak

Przejście światła pomiędzy bokiem a podstawą kryształu lodu powoduje powstanie halo dużego – 46 stopni.

Najwięcej światła przechodzi bez zmiany kierunku, dlatego tarcza słoneczna jest dobrze widoczna. Dużo światła zostaje odchylone pod kątem zbliżonym do 22 stopni.

Zależność odchylenia wiązki od kąta padania światła na kryształ. Kolorami oznaczono różne sposoby przejścia (przedstawione na rysunkach powyżej). Widoczne są również zakresy kątów padania dla danego sposobu oraz zagęszczenie w pobliżu 22 stopni.
rys. Rafał Wojtyniak

Dla większych kątów intensywność światła drastycznie spada (z pewną nieregularnością).

Udział promieni w powstawaniu zjawiska halo. Kąty odchylenia zostały zaokrąglone i podane z dokładnością do 1 stopnia.
rys. Rafał Wojtyniak

W przedziałach 0-22 stopni oraz 120-330 stopni rozproszenie nie powinno występować, jednakże na skutek wielokrotnych odbić i załamań na kryształach, pewna część światła pojawia się w tym obszarze. Warto dodać, że każde przejście przez kryształ, odbicie czy załamanie na granicy ośrodków (nie dotyczy całkowitego wewnętrznego odbicia) pociąga za sobą spadek natężenia światła.

Nie licząc światła przechodzącego bez zmiany kierunku, najwięcej promieni rozprasza się pod kątem zbliżonym do 22 stopni, dlatego to zjawisko nazywamy „halo 22 stopnie”. Podobnie jak tęcza, halo jest zjawiskiem indywidualnym – kształt i promień kątowy są ściśle określone, jednakże w przypadku każdego obserwatora biorą udział inne promienie słoneczne i inne kryształy lodu. Zjawisko jest ograniczone poprzez chmury zawierające kryształki lodu – nie zawsze obserwowany okrąg będzie ciągły i jednakowo intensywny na całej długości. Jako, że składowe światła białego załamują się pod różnym kątem, oprócz powstania okręgu dochodzi do rozszczepienia światła na poszczególne barwy.

Przekrój podłużny atmosfery ziemskiej. Próba zbliżenia się do zjawiska halo nie wpłynie na rozmiar okręgu, jedynie na zmianę udziału promieni i kryształów lodu.
rys. Rafał Wojtyniak

Jeśli jakiś obiekt obserwujemy z różnej odległości, wtedy zmienia się rozmiar kątowy tego obiektu, co za tym idzie – gdy obiekt jest dalej, mówimy, że jest on mniejszy. Co innego w przypadku halo słonecznego. Podczas próby zbliżania się czy oddalania od chmury, rozmiar kątowy obiektu nie zmienia się. A to dlatego, że halo w formie okręgu fizycznie nie znajduje się na chmurze. Nie jest to obiekt który można dotknąć. Jest to jedynie specyficzny obraz słońca. Analogicznie – patrząc w lustro zdajemy sobie sprawę, że w lustrze (lub za nim) tak naprawdę nikogo nie ma. To jest tylko obraz, którego nie jesteśmy w stanie dotknąć.

Słońce postrzegamy jako punkt / koło z którego promienie rozchodzą się we wszystkie strony. Tak naprawdę gwiazda ta ma średnicę ok. 109 razy większą niż Ziemia, a rozmiary Ziemi (średnica 6371 km) w porównaniu do odległości od Słońca (149,6 mln km) są do pominięcia. Dlatego przyjmujemy, że promienie słoneczne które do nas docierają są do siebie równoległe. Podobne złudzenie zachodzi w przypadku długiej drogi oddalającej się od nas – wiemy, że krawężniki są do siebie równoległe, jednakże obserwujemy ich zbieżność do jednego, bardzo odległego punktu.

Rafał Wojtyniak

22 stopnie atmosfera halo odbicie słońce załamanie zjawisko