Płytki lodowe i ptaki słońca

Każdy halo zaczyna się od heksagonalnego przekrwienia

Wysokie chmury cirrus są zbudowane nie z kropli ciepłej wody, ale z niewielkich krystalików lodu o kształcie heksagonalnego przekrwienia lub heksagonalnej tabliczki. Gdy światło słoneczne przechodzi przez jeden z tych krystalików, zachowuje się dokładnie tak jak światło przechodzące przez przekrwienie szkła: odzwierciedla się przy wejściu i ponownie przy wyjściu, a dwukrotne odzwierciedlenia odbijają promień o pewien kąt odchylenia, który zależy od dwóch ścian heksagonu, przez które przemierzał promień oraz pod jakim kątem wprowadzony był. W chmurze znajduje się bilion takich krystalików w każdym możliwym orientacji obracania się, a każdy z nich odbija światło słoneczne ku odbiorcy o własnym konkretnym kącie — halo to zbiorowy wzór, jaki tracą wszystkie te oddzielne promienie.

demo na żywo · powiązana symulacja● LIVE

22-gosty hal: minimum, a nie średnia

Zwykły pancerz widoczny wokół słońca lub Księżyca pochodzi z odbicia światła przez jeden bok szesciokątnego przystroju lodu i wyjście przez drugi bok pod kątem około 60°. Dla współczynnika odzwierciedlania lodu wynoszącego około 1,31, ten odbiornik ma matematyczny minimum około 22°, osiągany w momencie, gdy promień przechodzi blisko symetrycznie. Odbiory powyżej tego minimum są powszechnymi — wiele różnych kątów wejściowych prowadzi do zasięgu około 22-25° i zgromadza się w dolnej części tego zakresu — ale odbiory poniżej 22° są geometrycznie niemożliwe dla tej par boków. Ta zgromadzona na minimum, nazywana kauzticą typu tęczy, jest dokładnie powodem, dlaczego halo jest jasnym, ostrobrzeżonym pancerzem o 22° z ciemniejszym niebem wewnątrz (nazywanym bratanikiem ciemnej przestrzeni Alexandera — optical cousin halowym — własnego ciemnego obszar halowego). Zamiast rozproszonego blasku.

n_ice ≈ 1.31   (visible light)
prism angle A = 60°         (60° halo, common)
prism angle A = 90°         (46° halo, rare)

minimum deviation D_min = 2·arcsin(n·sin(A/2)) - A
  A = 60°  →  D_min ≈ 22°
  A = 90°  →  D_min ≈ 46°

Ptaki słońca: taka sama fizyka, jedna dodatkowa warunek

Ptaki słońca (parhelia) leżą na tej samej odległości 22° jak halo, ale pojawiają się tylko jako dwa jasne plamy równoległe do słońca, z lewej i prawej strony, a nie całą pętlą. Rozbieżność wynika z orientacji krystalicznej: krystale w kształcie płytek są szerokie i płaskie, a opór powietrza sprawia, że padają z ich szerszym sześciokątnym bokiem prawie poziomo – jak liść, który lada. Krystale tworzące halo nie przewracają się swobodnie tak, jak to zrobują krystale tworzące halo. Uprawniona orientacja pozioma ogranicza dostępne ścieżki odbicia geometryczne, koncentrując światło na tej samej wysokości co słońce, zamiast rozprowadzając je w pętlę, dlatego ptaki słońca sięja i oddzielają od słońca, gdy słońce opada niższy w niebie, a zanikają ku kształtowi pętli, gdy słońce zbliża się do horyzontu.

Rarniejsze halony

Halona 46° pochodzi z parzystej ściany 90° — światło wpierw wchodzi przez kąt końcowy szesciokątnego kristalu i wyjście ma miejsce przez boczną ścianę — jest znacznie słabsze, ponieważ ta bardziej nachylona geometria przewodni do utraty większej ilości światła na refleksji wewnętrznej i wymaga doskonało zrównanych kristalów, aby być widoczne. Halon okrągły nad słońcem (CZA), często opisany jako odwrócone tęczy arki arcji wysoko nad głową, pochodzi z światła wpierw wchodzącego przez płaską górską stronę pionowo ustawionej tabliczki kristalowej i wyjście ma miejsce przez boczną ścianę — inny ścieżka, a także jedna z najbardziej jasno kolorowych zjawisk halonowych ze względu na lepszą dispersję światła o różnych długich waveliach przez swoją geometrię odzwierciedlającą.

Symulowanie: Monte Carlo ray tracing przez losowe krystale

Ponieważ w rzeczywistej chmurze znajduje się krystali na wszystkich kierunkach, symulatory hal podążają za podejściem Monte Carlo zamiast analitycznego rozwiązania geometrii: generują dużą liczbę krystalów sześciokątnych o orientacjach losowo wybranych (uniformnie i turlanty dla 22° halo, prawie poziomo z małymi losowymi odchyleniami dla ptaków słońca), strzelają do każdego z nich równoległą promieniem w kierunku słońca, przeprowadzają trasy przez dwa odbicia za pomocą prawa Snella na każdym boku i akumulują miejsce, w którym kończą się promienie wychodzące względem słońca. Strzelanie wystarczającej liczby promieni — typowo setki tysięcy — sprawia, że statystyczna gęstość kątów wyjściowych zbiega do tych samych jasnych pętli i łuków, które pokazuje rzeczywisty niebo, całe na podstawie pierwszoprinicipowego odbicia bez załamania form hal w kodzie.

Często zadawane pytania

Dlaczego koło halowate jest zawsze o odległości 22 stopni od słońca, nigdy nie jest większe ani mniejsze?

To jest najmniejszy kąt odchylenia dla światła wchodzącego na jedno pole szesciokątnego przekroju i wyjaczającego przez drugie pole o kącie 60 stopni, dającym się za przybliżoną wartość współczynnika refrakcyjności lodu wynoszącą około 1.31. Promienie przechodzące blisko krawędzi krystalu odchylają się o znacznie więcej niż 22 stopnie, ale matematyczny minimum kąta odchylenia występuje na 22 stopnie, a światło zgromadza się wokół tego minimum dla ogromnego zakresu kątów wejściowych, co jest powodem, dla którego koło jest ostre i jasne dokładnie w tej średnicy i prawie puste wewnątrz niego.

Dlaczego sztuczki słońca pojawiają się tylko obok słońca, a nie nad nim ani pod nim?

Sztuczki słońca tworzą się z krystalicjalnych płatków lodu o sześciokątnym kształcie, które upadają w taki sposób, że ich szeroka powierzchnia jest pozioma, jakby były półkami opadającymi przez spokojne powietrze. Ta stała orientacja ogranicza odchylenie światła do tego samego poziomu niż słońce, więc tylko jasne plamy pojawiają się na lewo i prawo od niego na tym samym poziomie, a nie nad nim ani pod nim.

Dlaczego koło halowate 46 stopni jest tyle rzadziej niż koło halowate 22 stopni?

Koło halowate 46 stopni tworzy się z światła wchodzącego na końcowe sześciokątne pole krystalu i wyjaczającego przez boczne pole, co oznacza drogę odchylenia 90 stopni, a nie 60 stopni, która tworzy koło halowate 22 stopni. Ta większa kątowa przekroczoność oznacza, że więcej światła straci na refleksji wewnętrznej zamiast przepuszczonego, a geometria wymaga bardziej dobrze ułożonych i wysokiej jakości krystalów, więc koło halowate 46 stopni pojawia się znacznie rzadziej i słabszy niż jego powszechny wewnętrzny bratanek.

▶ Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Ice Halos & Sun Dogs i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.

▶ Otwórz symulację Ice Halos & Sun Dogs

Płytki lodowe i ptaki słońca: fizyka optyki atmosferycznej