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🌈 Eishalos & Nebensonnen

Monte-Carlo-Strahlensimulation von Sonnenlicht durch hexagonale Eiskristalle: Beobachte, wie der 22°-Halo, Nebensonnen und der Zirkumzenitalbogen aus echter Snellius-Brechung entstehen.

Optik & Licht3DAdvanced60 FPS💨 Luft & Wind ❄️ Eis & Kälte

Über diese Simulation

Dies ist ein Monte-Carlo-Strahlenverfolger, kein vorgefertigtes Bild: Jeden Frame werden Tausende Lichtstrahlen mit zufälligen Einfallswinkeln in ein hexagonales Eiskristallprisma geschickt, zweimal nach dem Snelliusschen Brechungsgesetz gebrochen und dort, wo sie landen, auf dem Himmel akkumuliert. Der 22°-Halo, Nebensonnen und der Zirkumzenitalbogen entstehen alle aus diesem einen physikalischen Modell — nichts wird direkt gezeichnet, nur dort, wo sich genug gebrochene Strahlen anhäufen.

🔬 Was gezeigt wird

Sonnenlicht bricht sich an den 60°- oder 90°-Flächen eines hexagonalen Eiskristallprismas, wobei Rot am wenigsten und Violett am stärksten gebrochen wird (Dispersion), was die farbige Innenkante des Halos ergibt. Zufällig taumelnde Säulenkristalle verteilen Strahlen zu einem vollen 22°-Ring, während horizontal schwebende Plättchenkristalle sie zu Nebensonnen beiderseits der Sonne konzentrieren.

🎮 Anwendung

Wähle ein Merkmal, um den 22°-Halo, Nebensonnen, den schwächeren 46°-Halo oder den Zirkumzenitalbogen (nur unterhalb von 32° Sonnenhöhe sichtbar) zu isolieren, oder lasse alle Merkmale eingeschaltet. Ziehe die Sonnenhöhe (0–70°), um zu beobachten, wie der Zirkumzenitalbogen erscheint und sich Nebensonnen verschieben, erhöhe Strahlen pro Frame für ein saubereres Bild, und entferne das Häkchen bei Dispersion, um den Halo weiß werden zu sehen.

💡 Wusstest du schon?

Der Radius von 22° ist nicht willkürlich — er ist der minimale Ablenkwinkel für ein 60°-Eisprisma beim Brechungsindex von Eis von etwa 1,31. Da Strahlen, die um weniger als 22° abgelenkt werden, durch Totalreflexion zurückgeworfen werden, statt aus dem Kristall auszutreten, bleibt der Himmel innerhalb des Halos tatsächlich dunkler als außerhalb.

Häufig gestellte Fragen

Warum erscheint der Halo als Ring und nicht als vollständige Scheibe?

Zufällig ausgerichtete Säulenkristalle brechen Licht in jedem Azimut um die Sonne, aber der Ablenkwinkel für einen gegebenen Strahl hat ein hartes Minimum nahe 21,8°. Strahlen häufen sich an dieser Kante minimaler Ablenkung, sodass die Helligkeit in einem Ring bei 22° ihren Höhepunkt erreicht und knapp innerhalb davon stark abfällt, während sie weiter außen allmählich verblasst.

Warum erscheinen Nebensonnen nur links und rechts der Sonne?

Nebensonnen entstehen aus plättchenförmigen Kristallen, die mit ihrer breiten hexagonalen Fläche nahezu horizontal fallen, wie Blätter, die sich in stiller Luft absetzen. Diese bevorzugte Ausrichtung beschränkt das gebrochene Licht auf ein schmales horizontales Band auf Höhe der Sonne und konzentriert es in zwei helle Flecken, statt es zu einem vollen Ring auszubreiten.

Warum erscheint der Zirkumzenitalbogen nur bei niedrigem Sonnenstand?

Der CZA entsteht, wenn Licht in die horizontale Oberseite eines Plättchenkristalls eintritt und durch eine vertikale Seitenfläche bei nahezu 90°-Geometrie austritt, und dieser Strahlenweg wird geometrisch unmöglich, sobald die Sonne über etwa 32° steigt. Die Simulation erzwingt dieselbe Höhengrenze, sodass der Bogen verschwindet, wenn die Sonnenhöhe darüber angehoben wird.

Warum zeigt der Ring an seiner Innenkante Farbe, an der Außenkante aber nicht?

Der Brechungsindex von Eis hängt leicht von der Wellenlänge ab, sodass violettes Licht stärker gebrochen wird als rotes (Dispersion). An der scharfen Innenkante des Halos erzeugt dies einen sichtbaren rötlichen Saum, während die Außenkante so allmählich verblasst, dass sich Strahlen aller Farben überlagern und die Farbe zu Weiß auswaschen.

Wie wirkt sich Strahlen pro Frame auf das Ergebnis aus?

Jeder verfolgte Strahl ist eine echte Monte-Carlo-Stichprobe eines zufälligen Einfallswinkels, die auf dem Himmelsbild abgelegt und über die Zeit akkumuliert wird. Mehr Strahlen pro Frame konvergieren schneller und mit weniger Bildrauschen zum tatsächlichen Helligkeitsmuster des Halos, auf Kosten von mehr Rechenaufwand pro Animationsframe.

Häufig gestellte Fragen

Warum liegt der 22°-Halo bei genau 22 Grad?

Der Radius von 22° wird durch den minimalen Ablenkwinkel für einen Strahl bestimmt, der durch das 60°-Prisma zwischen zwei Prismenflächen eines hexagonalen Eiskristalls verläuft. Bei Wassereis mit einem Brechungsindex von ~1,31 im sichtbaren Bereich tritt die minimale Ablenkung bei ~21,84° auf und erzeugt die scharfe Innenkante des Halos in diesem Radius.

Warum ist es innerhalb des 22°-Halos dunkel?

Strahlen, die in Winkeln in das Prisma eintreten, die eine Ablenkung von weniger als 22° erzeugen würden, erfahren Totalreflexion und treten nicht aus — sie können den Beobachter von innerhalb des minimalen Ablenkwinkels aus nicht erreichen. Daher erreicht über diesen bestimmten Strahlenweg kein Licht den Beobachter aus Richtungen innerhalb von 22° um die Sonne.

Was sind Nebensonnen (Parhelia)?

Nebensonnen sind helle Flecken, die 22° links und rechts der Sonne erscheinen, oft mit einem rötlichen Innenrand. Sie entstehen, wenn hexagonale Plättchenkristalle mit nahezu horizontalen flachen Seiten treiben und Licht bevorzugt in ein horizontales Band bei 22° von der Sonne brechen.

Zeigen Halos manchmal Farben?

Eis hat einen wellenlängenabhängigen Brechungsindex (Dispersion), sodass rotes Licht weniger stark gebrochen wird als blaues. An der Innenkante des 22°-Halos erscheint Rot zuerst und Blau direkt außerhalb davon, was die charakteristische rötliche Innenkante erzeugt. Stärkere Dispersion in pyramidalen Kristallen erzeugt farbigere Halobögen.

Können Halos auch um den Mond auftreten?

Ja. Mondhalos entstehen durch genau denselben Mechanismus wie Sonnenhalos, erscheinen aber um den Mond. Da Mondlicht viel schwächer ist, sind Mondhalos weniger lebhaft und zeigen selten Farbe, aber ihre Geometrie (22°, Zirkumzenitalbogen usw.) ist identisch mit der von Sonnenhalos.

⚙ Unter der Haube

Monte-Carlo-Atmosphärenoptik: Brich Sonnenlicht durch hexagonale Eiskristalle und beobachte, wie der 22°-Halo, Nebensonnen, der 46°-Halo und der Zirkumzenitalbogen aus echter Snellius-Physik entstehen.

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