Koło wokół Słońca ma zawsze ten sam rozmiar — nieważne, jak wysoko są kryształy i jak duże. To samo w sobie mówi nam, z czego jest zrobione.
Cząsteczka wody ma kształt zbliżony do litery V i, jak widzieliśmy w Rozdziale 3, jest biegunowa: tlen mocniej ściąga do siebie elektrony, więc jej tlenowy koniec jest lekko ujemny, a wodorowe — lekko dodatnie. Wodór jednej cząsteczki przyciąga przez to tlen sąsiadki; takie przyciąganie nazywa się wiązaniem wodorowym. Gdy woda zamarza, każda cząsteczka trzyma się w ten sposób czterech sąsiadek pod ściśle określonymi kątami, i cząsteczki układają się w sieć o symetrii sześciokątnej. To dlatego płatki śniegu mają sześć ramion — zawsze sześć, nigdy pięć ani siedem — i to dlatego cały ten rozdział ma sens.
Kryształ lodu w chmurze wysokiej to najczęściej sześciokątny słupek albo płytka: sześć ścian bocznych i dwie sześciokątne podstawy. Dla światła jest to pryzmat, i to pryzmat oferujący dwa różne kąty łamiące:
Przez dwie ściany boczne co drugą — kąt łamiący wynosi 60°. Minimalne odchylenie takiego pryzmatu w lodzie to około 22 stopnie. To jest halo małe.
Przez ścianę boczną i podstawę — kąt łamiący wynosi 90°. Minimalne odchylenie to około 46 stopni. To halo duże, znacznie rzadsze i słabsze.
I tu dochodzimy do rzeczy, która jest w tym rozdziale najmocniejsza. Kąty 60° i 90° są własnością geometrii sześciokąta, a nie własnością konkretnego kryształu. Nie zależą od tego, czy kryształ jest duży czy mały, czy jest słupkiem czy płytką, ani na jakiej wysokości się unosi.
Dlatego halo ma zawsze dokładnie ten sam rozmiar. Nie ma halo „większych" i „mniejszych". Widząc koło wokół Słońca i mierząc, że ma promień mniej więcej dłoni z rozstawionymi palcami na wyciągniętej ręce, wiemy z tego jednego pomiaru, że patrzymy przez miliony sześciokątnych kryształów lodu na wysokości kilku kilometrów. To zdumiewająca ilość informacji jak na jeden gest.
Sześciokątny słupek jako pryzmat
Obróćmy kryształ i zobaczmy dwa kąty łamiące: 60° między co drugą ścianą boczną, 90° między ścianą a podstawą.
Bursztynowa linia to droga promienia wchodzącego jedną ścianą boczną i wychodzącego co drugą. Kąt między wejściem a wyjściem to właśnie 22 stopnie — i nie da się go zmienić, nie zmieniając kształtu kryształu.
Halo małe to białawe albo lekko zabarwione koło wokół Słońca lub Księżyca. Jest znacznie częstsze, niż się wydaje — w Polsce widuje się je kilkadziesiąt razy w roku, tylko że trzeba zasłonić tarczę i spojrzeć.
Trzy cechy warto znać, bo wszystkie wynikają wprost z mechanizmu:
Czerwień jest po stronie wewnętrznej. Jak w każdym pryzmacie, czerwień odchyla się najsłabiej, więc trafia bliżej Słońca. Powód jest ten sam co w kropli tęczy: elektrony lodu mają swój rezonans w ultrafiolecie, a czerwień leży od niego najdalej, więc kołysze nimi najsłabiej i najmniej zwalnia (Rozdział 3). To odwrotnie niż w wieńcu, o którym w następnym rozdziale — i to jest jedyny test, jakiego potrzeba, żeby je rozróżnić.
Wnętrze koła jest ciemniejsze niż otoczenie. Bo 22° to minimalne odchylenie: żaden promień nie trafia bliżej Słońca niż tam. Do wnętrza koła nic nie dociera. To dokładnie ta sama logika, co przy pasie Aleksandra z poprzedniego rozdziału.
Barwy są blade. Znacznie bledsze niż w tęczy, bo kryształy są ułożone przypadkowo pod wieloma kątami i barwy się mieszają. Zwykle widać wyraźnie tylko czerwonawy brzeg wewnętrzny.
Halo pojawia się na Cirrostratusie — i tu wraca to, co ustaliliśmy w Rozdziale 14: halo jest widoczną etykietą chmury, która sama jest prawie niewidoczna. Bardzo często pierwsze zauważamy halo, a dopiero potem welon.
Halo to odbicie światła od kryształków lodu.
To załamanie, czyli przejście światła przez kryształ na wylot, jak przez pryzmat. Gdyby chodziło o odbicie, nie byłoby ani stałego kąta 22°, ani barw, ani ciemnego środka.
„Odbicie” to nasze domyślne wyjaśnienie wszystkiego, co świeci. Rozróżnienie ma jednak konsekwencję praktyczną: zjawiska z załamania mają stałe kąty i barwy, zjawiska z odbicia — nie. Słup świetlny, o którym za chwilę, jest akurat z odbicia i dlatego nie ma ani koloru, ani ustalonego rozmiaru.
Skoro kryształy są zawsze sześciokątne, to skąd bierze się tyle różnych zjawisk? Odpowiedź jest jedna i wyjątkowo elegancka: od tego, jak kryształy są ułożone w powietrzu.
Ułożenie przypadkowe. Kryształy są małe i turbulencja rzuca nimi we wszystkie strony. Światło wychodzi wtedy pod kątem 22° we wszystkich azymutach naraz — czyli tworzy pełne koło. To jest halo.
Ułożenie poziome. Płytki lodu, spadając, ustawiają się płasko — jak spadający liść albo kartka papieru. Opór powietrza sam je stabilizuje. Wtedy światło wychodzi tylko w płaszczyźnie poziomej, po obu stronach Słońca — i zamiast koła dostajemy dwie jasne plamy. To słońca poboczne.
Ułożenie pionowe albo odbicie od płaskich ścian. Wtedy powstaje pionowa smuga światła nad Słońcem albo pod nim — słup świetlny.
Jedna zmienna, trzy zupełnie różne obrazy. Warto to docenić, bo jest to w tej książce kolejny przypadek tego samego wzorca: nie ma trzech mechanizmów, jest jeden mechanizm w trzech okolicznościach — dokładnie jak przy rozpraszaniu w Rozdziale 3 i przy chmurach w Rozdziale 13.
Słońca poboczne — po łacinie parhelia, po angielsku sun dogs — to jasne plamy po obu stronach Słońca, na tej samej wysokości. Często mają czerwonawy brzeg od strony Słońca i białawy albo niebieskawy ogon na zewnątrz.
Są zaskakująco częste, zwłaszcza zimą, i zaskakująco jasne — potrafią rzucać się w oczy bardziej niż samo halo. Wystarczy raz wiedzieć, czego szukać.
Jest w nich jednak szczegół, który robi z nich wyjątkowo satysfakcjonującą obserwację. Słońca poboczne leżą 22° od Słońca tylko wtedy, gdy Słońce jest nisko przy horyzoncie. Gdy Słońce się podnosi, plamy zaczynają się od niego odsuwać — przy 40 stopniach wysokości są już jakieś 30 stopni od niego, a wyżej robią się tak słabe, że znikają.
Powód jest geometryczny. Płytki leżą poziomo, więc promień idący od wysoko położonego Słońca wchodzi w nie skośnie, a nie w płaszczyźnie sześciokąta — a przy skośnym przejściu efektywny kąt łamiący rośnie i odchylenie też.
To jest coś, co da się sprawdzić w ciągu jednego zimowego popołudnia: jeśli rano zobaczymy słońca poboczne blisko halo, a po kilku godzinach wciąż tam są, warto zmierzyć wyciągniętą ręką, czy odległość się zmieniła. Zmieni się — i to jest moment, w którym abstrakcyjna geometria z tego rozdziału robi się namacalna.
Słup świetlny to pionowa smuga światła nad Słońcem, widoczna zwykle przy wschodzie i zachodzie. Jest z odbicia, nie z załamania — światło odbija się od poziomych, płaskich powierzchni spadających kryształów, jak od milionów maleńkich luster ustawionych schodkowo. Dlatego słup nie ma własnych barw: przybiera kolor Słońca, więc o zachodzie jest pomarańczowy albo czerwony.
Miejska odmiana tego zjawiska bywa spektakularna. W mroźną, bezwietrzną noc, gdy przy ziemi unoszą się kryształki lodu (tak zwany pył diamentowy), nad każdą latarnią i każdą reklamą wyrastają pionowe słupy światła. Efekt jest zupełnie nieziemski, a zdjęcia z Kanady i Syberii regularnie krążą jako rzekome fotomontaże. W Polsce zdarza się to w kotlinach przy silnym mrozie i przy stokach z armatkami śnieżnymi.
Łuk okołozenitalny to, moim zdaniem, najładniejsze zjawisko optyczne, jakie da się zobaczyć z polskiego podwórka — i zarazem najczęściej przegapiane. Wygląda jak odwrócona tęcza: barwny łuk uśmiechnięty ku górze, wysoko nad Słońcem, blisko zenitu. Barwy są czystsze niż w tęczy, bo światło przechodzi przez kryształ tylko raz i nie miesza się z niczym.
Przegapia się go z jednego banalnego powodu: jest za naszymi plecami, wysoko w górze, a ludzie patrzą przed siebie. Pojawia się tylko wtedy, gdy Słońce jest niżej niż 32 stopnie nad horyzontem, więc w Polsce jest dostępny przez większość roku — trzeba tylko odchylić głowę.
Halo 46° — duże, słabe koło z tego drugiego kąta łamiącego. Rzadkie i zwykle niepełne.
Łuk styczny — jasny łuk dotykający halo od góry, o kształcie zmieniającym się z wysokością Słońca: przy nisko położonym Słońcu wygląda jak rozłożone skrzydła ptaka.
Okrąg parheliczny — biała, pozioma linia biegnąca przez całe niebo na wysokości Słońca. Powstaje z odbicia od pionowych ścian kryształów.
↓ Dodatek S — kryształy lodu i pełny katalog zjawisk halo z mapą niebaZjawisk halo jest kilkanaście i wszystkie zależą od jednego: jak ułożone są kryształki. Ta sama chmura, ten sam lód — a to, czy zobaczymy pierścień, dwie plamy czy poziomy łuk, rozstrzyga wyłącznie orientacja kryształków w powietrzu.
W wyjątkowo sprzyjających warunkach kilka z nich pojawia się jednocześnie i wtedy niebo wygląda jak diagram. Warto znać ten diagram, bo pozwala rozpoznać zjawisko po położeniu, zanim zdąży się zastanowić nad wyglądem.
Klucz do całej tej mapy jest jeden: kryształki ułożone przypadkowo dają pierścienie, ułożone regularnie dają plamy i łuki.
Sześciokątne słupki i płytki lodu, opadając w spokojnym powietrzu, ustawiają się poziomo — jak spadający liść albo kartka papieru. Opór powietrza je stabilizuje. Jeśli powietrze jest spokojne, wszystkie kryształki w chmurze są więc ustawione podobnie i światło przechodzi przez nie w uporządkowany sposób: powstają słońca poboczne, łuki styczne, łuk okołozenitalny. Jeśli powietrze jest burzliwe, kryształki wirują przypadkowo — i zostaje sam pierścień halo 22°.
Stąd praktyczny wniosek: im więcej elementów halo widzimy naraz, tym spokojniejsze jest powietrze na wysokości Cirrusa. Bogaty zestaw halo jest sam w sobie pomiarem — mówi, że dziesięć kilometrów nad nami nie ma turbulencji.
Ze wszystkiego, co da się zobaczyć na polskim niebie bez sprzętu, łuk okołozenitalny ma najczystsze barwy — czystsze niż tęcza. A jest widywany rzadko, i to niemal wyłącznie z jednego, banalnego powodu: jest nad głową, a ludzie nie patrzą w górę.
Wygląda jak fragment tęczy odwrócony do góry nogami: łuk z czerwienią na dole i fioletem u góry, wysoko nad Słońcem, zwykle w połowie drogi do zenitu. W literaturze anglojęzycznej nazywa się go „uśmiechem z Cheshire” i nazwa jest trafna.
Barwy są czystsze niż w tęczy z konkretnego powodu. W tęczy światło przechodzi przez kroplę i wychodzi po odbiciu wewnętrznym, co rozmywa barwy. W łuku okołozenitalnym wchodzi płaską górną ścianką kryształka, a wychodzi ścianką boczną, załamując się dwukrotnie pod dużym kątem i bez odbicia. Rozszczepienie jest przez to silniejsze i czystsze — fiolet naprawdę jest fioletowy, a nie sinawy.
Praktyczna rada, jeśli warto z tego rozdziału wyciągnąć jedną: zimą, gdy zobaczymy halo 22° albo słońca poboczne, warto od razu spojrzeć wysoko nad Słońce. Te same kryształki, które robią halo, często robią jednocześnie łuk okołozenitalny — a ponieważ jest wysoko i poza zwykłym polem widzenia, przechodzi niezauważony. To najtańszy sposób, żeby zobaczyć coś, czego większość ludzi nie widziała nigdy.
Nawyk, który się opłaca. Gdy niebo pokrywa się cienkim welonem, zasłaniamy Słońce dłonią albo krawędzią budynku i patrzymy dookoła. Zajmuje to trzy sekundy, a wyłapuje halo, słońca poboczne i łuk styczny. Bez tego gestu nie zobaczymy nic — tarcza po prostu wszystko przepala. Nigdy nie patrzymy na Słońce przez aparat, lornetkę ani teleobiektyw, o czym była mowa w Rozdziale 4.
Halo czy wieniec. Najczęstsza pomyłka w obserwacji nieba i jednocześnie najłatwiejsza do rozstrzygnięcia. Halo: duże — promień jak rozstawiona dłoń na wyciągniętej ręce, czerwień od wewnątrz, lód. Wieniec: małe — kilka stopni, tuż przy tarczy, błękit od wewnątrz, kropelki wody. Test kolejności barw jest rozstrzygający.
Zima to sezon. Halo i słońca poboczne widuje się w Polsce najczęściej od listopada do marca, bo wtedy Cirrostratus jest częsty, a Słońce nisko. Warto też pamiętać o Księżycu: halo księżycowe przy pełni jest zjawiskiem zupełnie zwyczajnym, tylko nikt nie patrzy.
Zostało trzecie zachowanie światła, którego jeszcze nie użyliśmy. Odbicie mieliśmy przy słupach, załamanie przy tęczy i halo — teraz przyjdzie kolej na dyfrakcję, czyli zaginanie się światła na krawędziach. Da nam pierścienie wokół Księżyca, opalizujące obrzeża chmur i pierścienie wokół cienia własnej głowy w samolocie. Przy okazji nauczymy się mierzyć rozmiar kropel w chmurze, do której nigdy nie dolecimy.