Kryształy lodu i katalog zjawisk halo

Geometria sześciokąta, kąty łamiące 60° i 90°, orientacje kryształów i mapa nieba z kilkunastoma zjawiskami.

Geometria · dwa kąty łamiące

Skąd 22° i skąd 46°

Sześciokątny słupek lodu oferuje światłu dwie pary ścian pod dwoma różnymi kątami. Odchylenie liczy się tak samo jak dla zwykłego pryzmatu:

D_min = 2 · arcsin(n · sin(A/2)) − AD_min — minimalne odchylenie. A — kąt łamiący. n — współczynnik załamania lodu, 1,31.

Policzone: oba halo

Ściany boczne co druga, A = 60°:

D = 2·arcsin(1,31 · sin30°) − 60 = 2·arcsin(0,655) − 60

D = 2 · 40,9° − 60 = 21,8° — halo małe

Ściana boczna i podstawa, A = 90°:

D = 2·arcsin(1,31 · sin45°) − 90 = 2·arcsin(0,926) − 90

D = 2 · 67,8° − 90 = 45,7° — halo duże

Zwróćmy uwagę, czego w tym rachunku NIE MA: rozmiaru kryształu, jego wysokości ani temperatury. Stąd stałość kąta, o której była mowa w Rozdziale 20.

Dyspersja, czyli zależność współczynnika załamania od barwy: współczynnik załamania lodu wynosi 1,3066 dla czerwieni i 1,3170 dla fioletu. Daje to halo o promieniu 21,54° dla czerwieni i 22,37° dla fioletu — czyli czerwień bliżej Słońca. Rozpiętość jest mała, dlatego barwy halo są blade w porównaniu z tęczą.

Skąd w ogóle ta różnica? Z rezonansów elektronów cząsteczek wody, które leżą w ultrafiolecie. Fiolet jest do nich bliżej niż czerwień, więc kołysze elektronami odrobinę chętniej i w lodzie zwalnia trochę bardziej (Rozdział 3, Dodatek C). Ta sama zależność rozszczepia światło w kroplach tęczy.

Uwaga na kąt graniczny: dla A = 90° promień może wejść tylko pod dość dużym kątem, inaczej ulega całkowitemu odbiciu wewnętrznemu. Dlatego halo 46° jest znacznie słabsze i rzadsze niż 22°.

Orientacja · katalog wynikający z ułożenia

Co powstaje przy jakim ułożeniu

Kryształy zorientowane przypadkowo

Halo 22° — pełne koło, ściany boczne

Halo 46° — pełne koło, ściana i podstawa; słabe

Płytki ułożone poziomo (spadają płasko)

Słońca poboczne — po bokach Słońca, 22° przy niskim Słońcu, dalej gdy wyżej

Łuk okołozenitalny — nad Słońcem, blisko zenitu; wymaga Słońca poniżej 32°

Łuk okołohoryzontalny — równolegle do horyzontu, wymaga Słońca powyżej 58° — w Polsce rzadki, bo Słońce tak wysoko bywa tylko latem w południe

Okrąg parheliczny — biała linia przez całe niebo, z odbicia od pionowych ścian

Słupki ułożone poziomo (toczą się wokół długiej osi)

Łuk styczny górny i dolny — dotykają halo 22° od góry i od dołu

Łuk supralateralny i infralateralny — związane z halo 46°

Odbicia od płaskich powierzchni

Słup świetlny — pionowa smuga; bez własnych barw, bo to odbicie, nie załamanie

Subsłońce — odbicie Słońca widoczne poniżej horyzontu, tylko z samolotu

Kompletne wyświetlenie halo, z kilkunastoma zjawiskami naraz, zdarza się kilka razy w dekadzie i wymaga bardzo jednorodnych kryształów — najczęściej notowane jest na Antarktydzie i w Skandynawii. W Polsce realnie dostępne są: halo 22°, słońca poboczne, łuk styczny, słup świetlny i łuk okołozenitalny.

Dlaczego płytki leżą płasko

Stabilizacja aerodynamiczna

Płytka lodu spadająca w powietrzu ustawia się poziomo z tego samego powodu, dla którego kartka papieru opada płasko, a nie krawędzią: opór jest największy przy największym przekroju poprzecznym, a każde wychylenie tworzy moment prostujący.

Stabilizacja działa dobrze tylko w wąskim zakresie rozmiarów — dla płytek o średnicy od kilkudziesięciu do kilkuset mikrometrów i przy słabej turbulencji. Dlatego słońca poboczne bywają wyraźne w powietrzu spokojnym, a w turbulentnym rozmywają się w zwykłe halo.

To zresztą wyjaśnia obserwację praktyczną: słońca poboczne najczęściej widuje się zimą przy mroźnej, bezwietrznej pogodzie, a halo 22° o każdej porze roku.

← Spis treści ↑ Rozdział 20: Halo: kiedy niebo rysuje lodem