Це не готова картинка, а справжній Монте-Карло трасувальник променів: щокадру тисячі променів світла запускаються під випадковими кутами падіння на гексагональну крижану призму, двічі заломлюються за законом Снелла і накопичуються на «небі» там, куди влучають. Гало 22°, паргелії й навколозенітна дуга виникають з однієї й тієї самої фізичної моделі — жодна фігура не малюється напряму, лише там, де назбирується достатньо заломлених променів.
Заломлення сонячного світла на гранях 60° або 90° гексагональної крижаної призми: червоний відхиляється найменше, фіолетовий — найбільше (дисперсія), звідси кольоровий внутрішній край гало. Хаотично орієнтовані стовпчики розсіюють промені по всьому кільцю 22°, а горизонтально плаваючі пластинки концентрують світло у паргелії обабіч Сонця.
Оберіть явище, щоб побачити окремо гало 22°, паргелії, слабше гало 46° або навколозенітну дугу (видима лише при висоті Сонця нижче 32°), або залиште «Усі явища». Рухайте Висоту Сонця (0-70°), щоб побачити появу дуги й зсув паргеліїв, збільшуйте Променів за кадр для чистішого зображення, зніміть позначку з Дисперсії, щоб побачити біле гало.
Радіус 22° не випадковий — це кут мінімального відхилення для 60°-ї крижаної призми при показнику заломлення льоду близько 1,31. Оскільки промені з відхиленням меншим за 22° повертаються назад повним внутрішнім відбиттям, а не виходять із кристала, небо всередині гало справді темніше, ніж зовні нього.
Хаотично орієнтовані стовпчикові кристали заломлюють світло під усіма азимутами навколо Сонця, але кут відхилення для конкретного променя має жорсткий мінімум близько 21,8°. Промені накопичуються саме на цій межі мінімального відхилення, тож яскравість досягає піку у кільці на 22° і різко падає одразу всередині нього, а далі назовні згасає поступово.
Паргелії утворюються пластинчастими кристалами, що падають майже горизонтальною широкою гексагональною гранню донизу, подібно до листя, яке осідає у нерухомому повітрі. Ця переважна орієнтація обмежує заломлене світло вузькою горизонтальною смугою на висоті Сонця, тому воно концентрується у двох яскравих плямах, а не розтікається по всьому кільцю.
Дуга виникає, коли світло входить у горизонтальну верхню грань пластинчастого кристала і виходить крізь вертикальну бічну грань під кутом близьким до 90°, а цей шлях променя стає геометрично неможливим, щойно Сонце піднімається вище приблизно 32°. Симуляція відтворює це саме обмеження за висотою, тож підвищення Висоти Сонця понад цю межу змушує дугу зникнути.
Показник заломлення льоду злегка залежить від довжини хвилі, тож фіолетове світло відхиляється сильніше за червоне — це дисперсія. На різкому внутрішньому краю гало це дає помітну червонувату облямівку, тоді як зовнішній край згасає настільки поступово, що промені всіх кольорів накладаються й колір розмивається до білого.
Кожен трасований промінь — це справжній випадковий (Монте-Карло) зразок кута падіння, який осідає на зображенні неба й накопичується з часом. Більше променів за кадр швидше й з меншим «зернистим» шумом наближає картинку до справжнього розподілу яскравості гало, ціною більших обчислень щокадру.
Радіус 22° визначається кутом мінімального відхилення для променя, що проходить крізь 60°-у призму, утворену двома гранями гексагонального крижаного кристала. Для водяного льоду з показником заломлення ~1.31 у видимому діапазоні мінімальне відхилення настає при ~21.84°, що створює різкий внутрішній край гало на цьому радіусі.
Промені, що входять у призму під кутами, які дали б відхилення менше 22°, зазнають повного внутрішнього відбиття і не виходять назовні — вони не можуть досягти спостерігача зсередини кута мінімального відхилення. Тож жодне світло не досягає спостерігача з напрямків у межах 22° від Сонця цим конкретним шляхом променя.
Паргелії — це яскраві плями, що з'являються на 22° ліворуч і праворуч від Сонця, часто з червонуватим внутрішнім краєм. Вони утворюються, коли гексагональні пластинчасті кристали дрейфують із плоскими гранями майже горизонтально, переважно заломлюючи світло у горизонтальну смугу на 22° від Сонця.
Лід має показник заломлення, залежний від довжини хвилі (дисперсія), тому червоне світло заломлюється менше, ніж синє. На внутрішньому краю гало 22° червоний з'являється першим, а синій — одразу за ним, утворюючи характерну червонувату внутрішню межу. Сильніша дисперсія у пірамідальних кристалах створює яскравіші кольорові дуги гало.
Так. Місячні гало утворюються за тим самим механізмом, що й сонячні, але навколо Місяця. Оскільки місячне світло значно тьмяніше, місячні гало менш яскраві й рідко показують колір, але їхня геометрія (22°, навколозенітна дуга тощо) ідентична сонячним гало.