Эффект гало: оптическое явление в атмосфере

Эффект гало — оптическое явление в атмосфере, возникающее при преломлении или отражении света кристаллами льда в перистых облаках и туманах. Визуально представляет собой светящееся кольцо, дуги, столбы или пятна вокруг источника света — обычно Солнца или Луны. Гало относится к классу атмосферных оптических явлений, связанных с ледяными кристаллами, в отличие от радуги, которая образуется при преломлении света в каплях воды.

Физическая природа явления

Основной механизм образования гало — преломление (рефракция) света в шестигранных кристаллах льда, имеющих форму призм или пластин. Кристаллы льда в атмосфере имеют упорядоченную ориентацию: мелкие кристаллы хаотично вращаются, крупные — падают с преимущественной горизонтальной ориентацией осей. В зависимости от формы и ориентации кристаллов формируются различные виды гало.

Минимальный угол отклонения луча при прохождении через призму с преломляющим углом 60° составляет около 22°, что объясняет возникновение наиболее распространённого малого круга гало радиусом 22°. Для кристаллов с преломляющим углом 90° минимальное отклонение достигает 46°, образуя большое гало радиусом 46°.

Основные виды гало

Малое гало (круг 22°)

Наиболее часто наблюдаемая форма — светящееся кольцо с угловым радиусом около 22° вокруг Солнца или Луны. Внутренний край кольца имеет красноватый оттенок, внешний — голубоватый. Кольцо может быть полным или фрагментарным, белым или окрашенным в зависимости от толщины облачности и размеров кристаллов.

Большое гало (круг 46°)

Более редкое явление — кольцо с угловым радиусом 46°. Образуется при преломлении света в кристаллах с преломляющим углом 90°. Наблюдается реже малого гало из-за требований к высоте и плотности перистой облачности.

Паргелии (ложные солнца)

Яркие световые пятна по бокам от Солнца на той же высоте, на расстоянии 22° (реже 46°) от него. Возникают при преломлении света в горизонтально ориентированных шестигранных пластинах. Паргелии часто окрашены в красноватые тона со стороны, обращённой к Солнцу.

Зенитная дуга

Дуга окружности, расположенная над Солнцем, с центром в зените. Образуется при преломлении света в горизонтально ориентированных пластинчатых кристаллах. Дуга имеет яркую радужную окраску и наблюдается при высоком положении Солнца.

Световые столбы

Вертикальные светящиеся полосы, простирающиеся вверх и вниз от источника света. Возникают при отражении света от горизонтальных граней плоских кристаллов. Часто наблюдаются при низком Солнце или Луне, а также от ярких наземных источников света в морозную погоду.

Паргелический круг

Горизонтальная светящаяся полоса, проходящая через Солнце параллельно горизонту. Образуется при отражении света от вертикальных граней кристаллов. Обычно виден фрагментарно, часто пересекает малый круг гало в точках паргелиев.

Условия наблюдения

Для возникновения гало необходимы перистые или перисто-слоистые облака на высотах 5–10 километров, состоящие из ледяных кристаллов. Оптимальная температура для образования кристаллов — ниже −20 °C. В умеренных широтах гало наблюдается в среднем 70–100 дней в году, чаще зимой и в переходные сезоны.

Малые гало могут возникать также в морозном тумане при наличии ледяных кристаллов в приземном слое воздуха. В этом случае явление наблюдается вокруг уличных фонарей и других ярких источников света.

Гало в истории и культуре

Наблюдения гало фиксировались с древности. В «Слове о полку Игореве» упоминаются «четыре солнца» — явление, интерпретируемое историками как паргелии. В средневековой Европе гало нередко воспринималось как предзнаменование войн, эпидемий или божественных знамений.

Первое научное объяснение явления дал французский физик Эдм Мариотт в XVII веке, связав образование гало с преломлением света в ледяных кристаллах. Систематическое исследование гало продолжили в XIX–XX веках метеорологи и физики, включая работы по классификации форм явления.

В метеорологии гало используется как индикатор приближения тёплого фронта: перистые облака, в которых образуется явление, часто предшествуют ухудшению погоды. Народная примета «солнце в кругу — к ненастью» имеет под собой фактическое основание.

Сходные и смежные явления

Гало следует отличать от венцов — цветных кругов вокруг Солнца или Луны, возникающих при дифракции света на каплях воды в облаках. Венцы имеют меньший угловой радиус и более мягкую окраску. Также гало не следует путать с радугой, образующейся при преломлении и отражении света в каплях воды, и с полярными сияниями, имеющими электрическую природу.

Практическое значение

Наблюдения гало используются в метеорологии для оценки высоты и структуры перистой облачности. Фотографирование гало применяется для изучения формы и ориентации ледяных кристаллов в атмосфере. В авиации явление учитывается при визуальном ориентировании, хотя прямой опасности для полётов не представляет.

В оптике промышленности гало-эффектом называют нежелательное рассеяние света в линзах и оптических системах, снижающее контраст изображения. Этот термин заимствован из атмосферной оптики, но относится к другой физической природе — рассеянию на микронеровностях и включениях в стекле.

Источники

• Миннарт М. «Свет и цвет в природе»
• Зверева С. В. «В мире солнечного света»
• Хргиан А. Х. «Физика атмосферы»
• Таблицы и материалы Всемирной метеорологической организации по классификации оптических явлений