Refractia si dispersia luminii pe cristalele de gheata

Refractia si dispersia luminii pe cristalele de gheata

1.Halouri produse de cristale de gheata din atmosfera

a) Haloul de 22 de grade

Un halo este un inel de lumina înconjurând Soarele sau luna. Majoritatea halourilor arata precum inele albastre stralucitoare dar in unele cazuri dispersia luminii la trecerea prin cristalele de gheata din norii de mare inaltime precum cei cirostratus poate face ca haloul sa aiba culoare.

Halourile se formeaza atunci când lumina Soarelui sau a lunii este refractata de cristalele mici de gheata asociate cu norii de înalta altitudine(precum norii cirostratus). Un halo de 22 de grade este un inel de lumina situat la 22 de grade de S 444h72e oare (sau luna) si este cel mai comun tip de halo. Este format de cristale hexagonale de gheata cu diametre mai mici de 20,5 micrometri.

Lumina sufera doua refractii la trecerea printr-un cristal de gheata iar unghiul de deviere al luminii depinde de diametrul cristalului de gheata.

Un halou de 22 de grade se formeaza când lumina intra printr-o parte a cristalului columnar si iese prin partea cealalta a sa. Lumina este refractata o data atunci când intra in cristalul de gheata si inca o data atunci când îl paraseste.

Cele doua refractii schimba directia luminii cu 22 de grade de la directia initiala, producând un inel de lumina observat la 22 de grade de Soare sau de luna

Un arc tangent este o portiune de lumina stralucitoare care este ocazional observat de-a lungul unui halo. Acest lucru are loc atunci când lumina Soarelui este refractata de cristalele de gheata in cadere de forma hexagonala asemanatoare cu un creion orientat orizontal.

b) Haloul de 46°

Un halo de 46 de grade este un inel de lumina observat la 46 de grade de soare sau luna. Desi sunt mai rare ca halourile de 22 de grade, procesul prin care se formeaza este asemanator.

Ceea ce determina formarea unui halo de 46 de grade sau a unuia de 22 de grade este directia pe care o ia lumina la trecerea prin cristalele hexagonale de gheata. Un halo de 22 de grade rezulta din "intrarea pe o parte si iesirea pe cealalta parte" in timp ce unul de 46 de grade rezulta din "intrarea pe o parte si iesirea prin partea de jos a cristalului".

Lumina ce vine trece prin cristale din nori de mare inaltime(precum norii cirostratus) si este refractata la un unghi de 46 de grade înainte de a fi perceputa de ochi. In consecinta , un observator vede un inel de lumina in jurul soarelui (sau lunii) la un unghi de 46 de grade de sursa de lumina.

Aceste cristale de gheata au forma unor coloane hexagonale cu diametre intre 15 si 25 de micrometri si arata precum creioane minuscule.

Un halo de 46 de grade se formeaza atunci când lumina intra printr-o parte a cristalului hexagonal de gheata si iese fie prin partea de sus ,fie prin partea de jos a cristalului. Lumina este refractata de doua ori la trecerea prin cristalul de gheata iar cele doua refractii schimba directia luminii cu 46 de grade de la directia initiala.

Schimbarea de directie produce un inel de lumina observat la 46 de grade de sursa de lumina.

c) Halouri si apusuri neobisnuite

Halouri foarte mari au fost observate in sudul Finlandei la inceputul lui mai 2006.

Raza lor era de aproximativ 45° si aveau un disc de o nuanta albastra si un inel maro. Cerul era foarte senin si destul de intunecat in exteriorul haloului. De asemenea, apusuri de nuante rosii foarte frumoase au fost observate in aceleasi zile. Fenomenele au fost vizibile mai multe zile intre 2 si 11 Mai si au fost probabil provocate de fumul adus din Europa de Est.

In poza de mai sus cu un halo facuta pe 11 mai un mic segment al altei fotografii a fost adaugat pentru a arata dimensiunea haloului de 22° prin comparatie.

Apusul din partea dreapta a fost surprins pe 4 mai 2006.

Halouri de mari dimensiuni pot fi observate in timpul perioadelor cu temperaturi foarte inalte cand cerul este de obicei voalat. Acesta a fost primul halo de mari dimensiuni vazut in Finlanda de la "Inelele Episcopului" din 1991-1992. Halouri mici(cu raze de aproximativ 5°) avand disc albastru si inel maro au mai fost uneori observate.

c)Parahelia normala

Parahelia reprezinta o pereche de puncte intens colorate si luminoase,cate una de fiecare parte a Soarelui.

Parahelia  se formeaza atunci când lumina solara este refractata de cristale hexagonale plate de gheata cu diametre mai mari de 30 de micrometri si având fetele plate orientate orizontal.

Paraheliile sunt viziblile atunci când Soarele este aproape de orizont si in acelasi plan orizontal cu observatorul si cristalele de gheata. La trecerea luminii solare prin cristalele de gheata, directia sa se schimba cu 22° înainte de a ajunge la ochii nostri, asemanator cu ceea ce se întâmpla in cazul haloului de 22°. Aceasta schimbare de directie duce la formarea unei parahelii.

Diferenta dintre un halo si o parahelie consta in orientarea diferita a cristalelor de gheata prin care trece lumina solara înainte de a ajunge la ochii nostri. Daca cristalele hexagonale sunt orientate cu fetele plate orizontal se formeaza parahelia iar daca cristalele hexagonale sunt orientate aleatoriu, se observa un halo.

d)Parahelia de 120 de grade

Paraheliile de 120 de grade sunt relativ rare. Daca paraheliile normale sunt puternice, sunt sanse sa apara si o parhelie de 120 de grade si un cerc parhelic. Toate aceste halouri sunt formate de cristale plate. Paraheliile de 120 de grade apar precum suprafete circulare la un unghi de 120 de grade de Soare.

Paraheliile de 120 de grade sunt de culoare alba deoarece se formeaza in cristale hexagonale plate prin reflexie si nu prin refractie.

e)Coloana solara

O coloana solara este o coloana verticala de lumina întinzându-se in jos sau in sus fata de Soare. Vazut de obicei in timpul apusurilor sau a rasariturilor, coloanele solare se formeaza atunci când lumina soarelui se reflecta de suprafata unor cristale de gheata aflate in cadere din nori de mare altitudine(precum norii cirostratus).

Cristalele hexagonale de gheata asemanatoare unor farfurii cad cu o orientare orizontala, leganându-se usor dintr-o parte in alta in timpul caderii.

Când Soarele este aproape de orizont, a zona stralucitoare apare in cerul de deasupra(sau dedesubtul) Soarelui datorita reflectarii luminii solare de suprafata acestor cristale de gheata.

f)Arcele tangente

Arcele tangente variaza cu inaltimea Soarelui. Ele ating intotdeauna haloul de 22°.Cand elevatia solara creste, arcul tangent devine mai plat si mai mare. La 40°, cele doua extreme sunt curbate in jos si formeaza un halo circumscris. Exista intotdeauna a zone alba stralucitoare deasupra si dedesubtul arcului tangent inferior in regiunea unde ele ating haloul de 22°.

g)Arcul supralateral

Arcul supralateral atinge haloul de 46° in ambele margini si ii schimba forma in functie de inaltimea Soarelui. Poate sa atinga si arcul circumzenital. Arcele supralaterale sunt formate de cristale columnare si sunt uneori greu de deosebit de un halo de 46°.

Simulare a arcelor infralaterale si a arcului supralateral la o inaltime a soarelui de 22°. Concentratia cristalelor trebuie sa fie foarte mare pentru a produce o asemenea imagine. Simularea mai arata si arcele tangente superioara si inferioara, cercul parhelic si câteva halouri foarte rare.

Un criteriu ce poate fi folosit este culoarea. Arcele supralaterale sunt mult mai luminoase si mult mai colorate decât un halo de 46°, care este de 6 ori mai sters decât un halo de 22°. Haloul de 46° nu isi schimba niciodata forma iar arcul supralateral nu este niciodata perfect circular.

Arcele supralaterale pot fi gasite doar deasupra planului cercului parhelic. Sub acest plan, arcele echivalente sunt numite arce infralaterale.

h) Arcele Infralaterale

Simulare a arcelor infralaterale la o elevatie a Soarelui de 40°. La fel ca si arcele supralaterale, ele ating haloul de 46° din ambele parti si isi schimba forma cu elevatia Soarelui. Cu un Soare inalt, cele doua arce fuzioneaza. Arcele infralaterale sunt la fel de colorate ca si cele supralaterale dar rare la latitudini mai mari din cauza apropierii de orizont. Acestea apar deseori impreuna cu haloul circumscris sau cu arcele tangente

i)Arcul circumzenital

Desi arcul circumzenital este un halou foarte comun si plin de culoare, putina lume il observa. Trebuie privit cerul intr-o zi insorita si cu nori Cirrus pentru a fi vazut. Arcul circumzenital este produs de refractia luminii in cristale plate de gheata insa numai cand elevatia Soarelui este mai joasa de 32°. Cu cat e mai jos Soarele, cu atat arcul devine mai subtire si mai mare pana cand devine difuz si nu mai poate fi observat.Arcul circumzenital acopera niciodata intreg zenitul.

In dreapta sus se observa un arc circumzenital la o elevatie solara de 10°.Este relativ plat si subtire. Simularea mai arata si alte halouri(unul de 46°,un arc tangent, un halou de 22° si un cerc parahelic)

j)Arcul circumorizontal

Arcul circumorizontal este perechea arcului circumzenital. Ambele halouri sunt formate de cristale plate de gheata. Arcele circumorizontale sunt foarte rare in Europa Centrala pentru ca Soarele trebuie sa fie la o elevatie de peste 58°. Din aceasta cauza raman doar cateva saptamani pe an pentru a-l putea observa in jurul amiezii.

Halou de 22 de grade,cerc parhelic si arc circumhorizontal. Elevatie solara de 62°.

2.Halouri produse in cristale de gheata din zapada si bruma

Refractia in zapada si bruma

Cristalele de zapada reflecta si refracta lumina intr-un mod asemanator cristalelor de gheata din nori. In conditii favorabile formeaza împreuna halouri la sol. Unul de 22° sau chiar unul de 46° poate fi vazut pe un câmp acoperit de zapada. Pot fi produse halouri chiar si cu surse de lumina artificiala.

In dreapta: Sclipiri colorate pe un zid acoperit de zapada. Pe fundal sunt sclipirile nefocalizate de pe pamant.

In stanga: Plan apropiat cu un strat de zapada

Jos: Pajiste acoperita de zapada stralucind in lumina Soarelui

3. Tipuri de cristale de gheata si fenomenele pe care le produc

Gheata prezinta o simetrie moleculara hexagonal si cristalele sale sunt in principal prisme hexagonale care variaza in dimensiune si proportie de la lungi coloane la placi subtiri.

Placile si coloanele pot avea dimensiuni ale fetelor diferite si iregulate. Totusi, indiferent de proportii, unghiurile dintre fete sunt intotdeauna aceleasi. Fara aceasta constanta nu ar exista halouri. Fetele alternante se inclina intotdeauna la 60° una fata de cealalta si la 90° fata de fetele bazale.

Cristalele din nori sunt de obicei aliniate intr-un anumit mod datorita rezistentei aerului in timp ce acestea se indreapta incet catre pamant in fuctie de curentii de aer din nori.

Cristalele plate plutesc precum frunzele, fetele lor mari sunt aproape orizontale.

Coloanelese aliniaza cu axele lungi aproape orizontal.

Fiecare aliniament favorizeaza anumite cai ale luminii prin cristale si produc propriile familii de halouri.

a)    Tipuri de orientari ale cristalelor

Orientarea obisnuita a placilor: formeaza parahelii, arce circumzenitale, arce circumorizontale, coloane solare, cercuri parahelice

Orientarea obisnuita a coloanelor: formeaza parahelii, arce circumzenitale, arce circumorizontale, coloane solare, cercuri parahelice, arce tangente, arce supra/infralaterale, dar si alte arce rare

Orientarea Parry: formeaza arcele Parry, mult mai rare.

Orientarea Lowitz: formeaza arcele Lowitz

Orientarea intamplatoare: aceasta orientare slaba formeaza halourile de 22° cele mai raspandite, dar si pe cele de 46°, mult mai rare si arce supralaterale, mai des intalnite.

Un alt tip de cristale este cel piramidal. Cristalele de acest tip au aceesi forma hexagonala in centru si piramide cu 6 fete in lateral. Sunt posibile 18 variatii avand intre 12 si 20 de fete. Toate piramidele au acelasi unghi de 28° fata de axa. Cristalele piramidale au o forma aerodinamica rotunjita si din aceasta cauza se aliniaza mai greu in comparatie cu coloanele si placile. Acestea produc mai multe halouri circulare numite halouri cu unghi ciudat.

b)    Tipuri de fenomene datorate refractiei si dispersiei luminii pe cristale de gheata.

a)     Haloul de 22°

Orientarea cristalelor: intamplatoare

Aparitii: foarte dese, 80-120 zile pe an

Aceasta imagine arata un halou de 22°. Soarele este acoperit de un stalp pentru a evita reflexiile in camera.

b)     Parahelia

Orientarea cristalelor: Baza orizontala

Aparitii: foarte dese, 60-80 zile pe an

Parahelia

c)      Arc Tangent Superior

Orientarea cristalelor: Axa principala orizontala

Aparitii: frecvente, ca. 20-30 zile pe an

Aceasta imagine arata un arc tangent superior foarte luminos.

d)     Arc Tangent Inferior

Orientarea cristalelor: Axa principala orizontala

Aparitii: rare, deoarece arcul tangent inferior este de cele mai multe ori sub orizont

Un arc tangent inferior

Formarea arcului tangent inferior si superior

e)     Haloul Circumscris

Orientarea cristalelor: Axa principala orizontala

Aparitii: frecvente, ca. 15-25 zile pe an

Un halou circumscris complet.

f)       Coloana solara superioara

Orientarea cristalelor: Placi - aproape orizontale (cu inclinatii)

Reflectia pe fata bazala inferioara

Aparitii: in mod obisnuit, 20-30 zile pe an

Aceasta imagine arata o coloana solara superioara formata dupa apus.

g)     Coloana solara inferioara

Orientarea cristalelor: Placi - aproape orizontale (cu inclinatii)

Reflectia pe fata bazala superioara

Aparitii: nu in mod obisnuit, 2-8 zile pe an

h)     Haloul de 46°

Orientarea cristalelor: intamplatoare

Aparitii: rare, 4-10 zile pe an

Imaginea unuor halouri de 22° si 46°.

i)       Cercul Parahelic

Orientarea cristalelor: Placi - Baza orizontala

Coloane: axele principale        orizontale

Reflectia pe fata verticala a cristalului

Aparitii: rare, ca. 5-10 zile pe an

Un cerc parahelic superior

j)       Arcul Lowitz

Orientarea cristalelor: placi rotate

Aparitii: rare, ca. once a year

Parahelie dreapta si arc Lowitz.

Diagrama de mai sus arata un cristal de gheata cu forma plata rotandu-se complet in jurul propriei axe. Aceste placi rotative creaza arcele Lowitz.

k)     Parahelia de 120°

Orientarea cristalelor: Baza orizontala

Aparitii: rare, 1-2 zile pe an

Cerc parahelic si parahelie de 120°.

l)       Arcul Supralateral

Orientarea cristalelor: Axele principale orizontale

Aparitii: rare, ca. o data pe an

Arcul supralateral domina aceasta imagine. Se observa arcul tangent superior si deasemenea,sub arcul parahelic, arcul infralateral.

m)   Arcul Infralateral

Orientarea cristalelor: Axele principale orizontale

Aparitii: rare, o data pe an

Aceasta imagine arata un arc infralateral si un cerc parahelic.

n)     Haloul de 9°

Orientarea cristalelor: intamplatoare

Aparitii: foarte rare

Aceasta imagine arata in halou de 9°. Exista deasemenea un halou de 22° si unul de 24°.

o)     Haloul de 18°

Orientarea cristalelor: intamplatoare

Aparitii: foarte rare

Halouri de 9°, 18°-, 22°, 24°.

p)     Haloul de 24°

Orientarea cristalelor: intamplatoare

Aparitii: foarte rare

Aceasta imagine arata in halou de 24°. Apar deasemenea haloul de 22°, parahelia si arcul tangent superior

Cand apar halourile?

Cand temperaturile la altitudini intre 7 si 12 km sunt sub mult -20°C, indiferent de anotimp , norii inalti sunt alcatuiti in principal din cristale de gheata. Aceste tipuri de nori sunt cirrus, cirrostratus si cirrocumulus. Cand apar acesti nori pot aparea halouri.

Cirrus

Acesti nori sunt de obicei imprastiati neregulat pe tot cerul.

Cirrostratus

Acesta este un voal transparent de nori. Cand apare este de regula singurul tip si acopera tot cerul.

 Cirrocumulus

Acestia sunt mici pete de nori de obicei aranjate in linii. Se disting de altocumulus prin diametrul vizibil mai mic. Halourile nu sunt la fel de frecvente ca in cazul cirrus sau cirrostratus.

Aceste trei tipuri de nori sunt principalele responsabile pentru majoritatea halourilor, dar mai sunt si alte situatii cand pot fi observate:

Altocumulus

Acestia sunt de nivel mediu si doar o parte din ei sunt alcatuti din cristale. Pana acum aproape numai coloane solare au fost obsevate si altocumulus.

Cumulonimbus

Acesti nori sunt verticali si ating altitudini foarte mari. Partea superioara, care are forma de nicovala este formata din cristale de gheata

Ceata inghetata

Cand temperaturile sub scazute iarna poate aparea ceata inghetata. Aceasta produce de departe cele mai frumoase halouri.

Patura de zapada

Halourile pot aparea chiar si in paturile de zapada, cand soarele se afla la elevatii scazute. Aici se observa o parte a unui halou de 22

Virgae

Norii Virgae pot crea halouri foarte frumoase care apar si in alte tipuri, de exemplu stratocumulus. Norii Virgae bine definiti par a avea "barba", dar uneori stratul este atat de subtire in cat nu se pot vedea. Pana acum cercurile eliptice au fost vazute exclusiv in acestia.