1

2

• Содержание
• Солнечные круги
• Гало
• Образование гало
• Цветные гало
• Белые гало
• Гало в истории
• Гало в Антарктиде
• Гало на других планетах Солнечной системы
• Другие солнечные круги: венцы, глории и др
• Венцы
• Кольцо Бишопа
• Глория
• Брокенский призрак
• Нимбы
• Солнечные круги и погода
• Приложение 1
• Приложение 2
• Список литературы

Солнечные круги

Согласно теории рассеяния, все солнечные круги возникают при дифракции и интерференции солнечных лучей на каплях и кристаллах облака, тумана или выпадающих осадков. Какое из явлений будет наблюдаться, определяется преобладающим размером элементов облака или осадков. Нельзя назвать четких границ размеров капель и кристаллов, при которых происходит смена одного вида солнечных кругов другим. Переход осуществляется постепенно, а главное, что в облаках всегда присутствуют капли и кристаллы всевозможных размеров, как говорят оптики, спектр размеров капель. Для возникновения того или иного явления важно, чтобы в облаке или тумане преобладали капли или кристаллы определенного размера.

Пока элементы облака мелкие, не превышают примерно 6 мкм, наблюдаются типичные дифракционные максимумы в виде венцов (вокруг источников света). Был обнаружен и довольно четкий максимум яркости рассеянного света под углом 180°, соответствующий глории. Этот максимум был виден только в очень тонких облаках.

При укрупнении капелек облака до размеров 10 мкм и больше появляются дифракционные максимумы под углами рассеяния, типичными для положения радуг на небосводе.

При малых оптических толщинах кристаллического облака, состоящего из бесконечно длинных гексагональных цилиндров, появляются слабые максимумы гало начиная с размеров кристаллов 10 мкм, а более отчетливые -- при 20 мкм и больше.

Итак, яркие венцы, глории, гало наблюдаются только в тонких облаках или завесах из капель дождя или из ледяных кристаллов, оптическая толщина которых не превышает 1.

Только в тонких облаках определяющим является рассеяние первого порядка, оно-то и создает все дифракционные максимумы ("пики"), а роль многократного рассеяния еще мала, и оно не смазывает картины, созданной однократным рассеянием.

При достаточном увеличении размеров капель и кристаллов происходит постепенный переход от рассеяния (дифракции) к преломлению и отражению света в каплях и кристаллах. Законы теории рассеяния переходят в формулы геометрической оптики.

Далее мы более подробно рассмотрим явление гало.

Гало

Если Солнце просвечивает через тонкие перисто-слоистые облака, состоящие из ледяных кристаллов, на небе часто появляются световые явления, называемые гало. В русских летописях их называют галосами.

Явления гало отличаются большим многообразием. Наиболее часто наблюдается радужный круг вокруг Солнца угловым радиусом 22°, реже концентрический с ним круг угловым радиусом 46° и совсем редко круг 90° (гало Гевелия). Иногда виден белый горизонтальный, или паргелический, круг, проходящий через Солнце и параллельно плоскости горизонта. На пересечении этого круга с кругами гало 22 и 46° появляются яркие радужные пятна -- ложные (или побочные) солнца, или паргелии. Ложные солнца могут быть и в других местах белого горизонтального круга, который потому и называется паргелическим кругом. Довольно часто возникают касательные дуги к кругам гало, чаще горизонтальные и реже боковые.

Гало отличается исключительным многообразием. Описаны случаи наблюдения кругов гало радиусом 8°, около 9°, 18, 19, 23, 34° и других радиусов, касательных дуг к этим кругам, различных касательных дуг, проходящих через антелий или расположенных в его окрестностях. Наибольшей яркостью отличается редко наблюдаемая околозенитная дуга. По чистоте цветов она превосходит радугу.

Образование гало

Все формы гало являются результатом преломления солнечных или лунных лучей в ледяных кристаллах облака либо их отражения от боковых граней или оснований кристаллов, имеющих форму шестигранных столбиков или пластинок. Строго говоря, на кристаллах происходит дифракция солнечных лучей.

Ледяные кристаллы облаков относятся к так называемым гексагональным, так как их сечения, перпендикулярные главной оси кристалла, представляют собой шестиугольники. Правильные гексагональные кристаллы бывают двух крайних типов: с хорошо развитой главной осью -- это ледяные шестигранные столбики или ледяные иглы, и с плохо развитой главной осью -- это шестигранные пластинки. Ко второму типу относятся все виды снежинок.

Кристаллы в облаке совершают самые разнообразные движения, то опускаются, то поднимаются, испытывая действие многих процессов, происходящих в различных частях облака. В результате этих процессов кристаллы теряют правильную форму.

В образовании гало разных форм большую роль играет ориентация кристаллов, т. е. положение их главных осей, при падении в атмосфере. Большие ледяные столбики и иглы падают так, что их главные оси принимают горизонтальное положение, т. е. боковой гранью вниз, достаточно большие пластинки или снежинки -- так, что их главные оси принимают вертикальное положение, т. е. основаниями вниз, а разно-образные кристаллы неправильной формы падают при хаотическом положении главных осей.

Цветные гало

Луч света, вошедший в ледяной кристалл (шестигранную призму), может выйти из него, если двугранный преломляющий угол меньше 99°32'. В кристаллах льда имеются два угла, удовлетворяющих этому условию: угол 60° -- между боковыми гранями, взятыми через одну, и угол 90° -- между боковой гранью и основанием.

Гало радиусом 22°. Рассмотрим несколько случаев прохождения лучей через кристаллы.

1) Главные оси кристаллов вертикальны. Солнце находится на горизонте. Его лучи входят в боковые грани и выходят также через боковые грани, взятые через одну. При таком пути луча шестигранный ледяной кристалл, по существу, работает как трехгранная призма с преломляющим углом 60°. При преломлении лучей происходит разложение белых лучей в спектр (дисперсия), и поэтому из кристалла выходит пучок цветных лучей, образующих пятна ложных солнц справа и слева от Солнца. Лучи, упавшие на грани кристаллов под другими углами, испытывают большее отклонение и будут образовывать светлые хвосты ложных солнц, обращенных в сторону, противоположную Солнцу.

2) Главные оси кристаллов горизонтальны. Солнце также на горизонте. Аналогично предыдущему случаю, появятся ложные солнца над и под Солнцем на таком же угловом расстоянии.

3) Ориентация главных осей кристаллов хаотическая. При такой ситуации возникнут ложные солнца во всевозможных направлениях, образуя целый круг гало угловым радиусом 22°. Так как хаотическая ориентация кристаллов является наиболее вероятной, чаще всего и появляются круги гало и значительно реже -- ложные солнца.

Гало радиусом 46°. Повторим предыдущие рассуждения для лучей, которые входят через боковую грань, а выходят через основания, или наоборот. При этом преломляющий угол кристалла равен 90°. В первых двух рассмотренных выше случаях возникнут ложные солнца над и под Солнцем и слева и справа от него соответственно. При хаотической ориентации главных осей образуется круг гало вокруг Солнца (или Луны) с угловым радиусом около 46° и таким же расположением цветов, как и в круге гало 22°.

При увеличении высоты Солнца над горизонтом от 0 до 30° круг гало 22° растягивается до 28°, а хвосты ложных солнц немного укорачиваются. При более высоком положении Солнца гало практически не наблюдаются.

Касательные дуги. Из разнообразных касательных дуг чаще всего появляются горизонтальные касательные дуги (верхняя и нижняя) к гало радиусом 22°.

При всех изменениях кристаллов в облаке дольше всего сохраняется двугранный угол 60° у столбчатых форм кристаллов. Эти кристаллы падают при горизонтальном положении главных осей, и при преломлении в них, как уже говорилось, образуются ложные солнца над и под Солнцем. За счет вибрации главных осей кристаллов в горизонтальной плоскости ложные солнца размываются в верхнюю и нижнюю касательные дуги.

Боковые касательные дуги к гало 22° наблюдаются крайне редко. Это объясняется тем, что они могли бы быть образованы кристалликами, падающими при вертикальном положении главных осей, т. е. пластинками или снежинками, однако такие кристаллы содержат много пузырьков воздуха, полостей, лед в них неоднороден, и они редко могут дать правильное прохождение света.

Характер окраски у всех цветных гало одинаков. Часть гало, обращенная к Солнцу, окрашена в красный цвет, а противоположная -- в синевато-сиреневый. У кругов гало красным является их внутренний край, у касательных дуг -- часть дуги, а у ложных солнц -- бок, обращенный к Солнцу.

Белые гало

Все белые (неокрашенные) гало возникают при отражении солнечных лучей от граней или оснований кристаллов. При отражении дисперсии белых лучей не происходит, и возникающие гало оказываются белыми. При образовании белых гало также важна ориентация отражающих частей кристаллов, играющих роль зеркала.

1) Горизонтальная ориентация отражающих частей кристаллов. Такое положение при падении в воздухе принимают боковые грани ледяных столбиков и основания пластинок или снежинок. Если кристаллы совершают при этом еще небольшие колебания в вертикальной плоскости, то при отражении от них появятся световые столбы над и под Солнцем.

2) Вертикальная ориентация отражающих частей кристаллов. Такое положение при падении принимают основания ледяных столбиков и боковые грани пластинок. Угол падения лучей на отражающие части кристаллов может быть любым от 0 до 90°, и поэтому отраженные световые лучи идут во всевозможных направлениях и образуют белый горизонтальный круг.

Горизонтальный круг часто виден не целый, а кусками. В местах его пересечения с гало радиусом 22 или 46° образуются кресты. Крест, в центре которого находится Солнце, возникает при пересечении световых столбов с горизонтальным кругом.

Гало в истории

Появление на небе одновременно нескольких солнц, световых крестов, косых дуг, которые, особенно во время зари, казались "кровавыми мечами", в прежние времена вызывало у людей страх, рождало суеверия, воспринималось как предвестие большой беды -- войны, голода. Приведем примеры из истории.

"В 7293 году явилось знамение в именитом граде Ярославле, с утренних часов стоял круг до полудня с тремя солнцы, и при них к полудни явился второй круг, в нем крест с короною, и солнце мрачное, и под большим кругом явилось подобно радуге... "

В один из летних дней 1790 года вокруг солнца светились два радужных круга -- один больше, другой меньше; сверху и снизу к ним примыкали яркие полудуги, похожие на широкие рога. Солнце и радужные круги пересекала белая полоса, параллельно горизонту опоясывающая небо. В местах пересечения этой полосы с малым радужным кругом сияли два ложных солнца; их стороны, обращенные к солнцу, были красны, а от противоположных сторон тянулись длинные светящиеся хвосты. Три таких же пятна были видны и против солнца -- на белой полосе. Шестое, очень яркое, пятно блестело на малом радужном круге выше солнца.

Сложный комплекс из разнообразных гало наблюдался в Петербурге 18 июля 1794 г. Он был тщательно зарисован и описан петербургским астрономом Т. Ловицем и вошел в литературу под названием Петербургского феномена. На небе одновременно наблюдалось 12 различных кругов и дуг, из них 9 цветных.

Магдебург был осажден войсками испанского короля Карла V. Больше года длилась осада. Наконец раздраженный король отдал приказ готовиться к решительной атаке. Но тут произошло невиданное: за несколько часов до штурма над осажденным городом засияли три солнца. Смертельно напуганный король решил, что Магдебург защищают небеса, и приказал снять осаду.

После падения Наполеона I во Франции наблюдали, как над солнцем появилось светлое пятно, напоминавшее многим треугольную шляпу императора. И люди расценили это как знак его возвращения из ссылки, с острова Святой Елены.

Во время сильного мороза в январе 1877 года она увидела как по обеим сторонам солнца появились две золотые чаши, а в чашах -- кресты. Над дневным светилом висел серп, лезвие его было синим, рукоятка огненной, а само оно находилось внутри большого креста.

21 февраля 1954 года во второй половине дня в нескольких районах Молдавии можно было увидеть такую картину: солнце находилось в центре двух радужно окрашенных кругов. На малом круге по обе стороны от солнца светились два ярких продолговатых пятна красного цвета, равных ему по величине. Вокруг них -- еще два круга. Кроме того, три ложных солнца расположились на большом круге (шесть солнц на небе!), а сверху к нему примыкала дуга в сорок шесть градусов.

Французский ученый К. Фламмарион рассмотрел исторические хроники. И вот что выяснилось: составители хроник не сомневались в существовании прямой причинной связи между явлениями природы и делами человеческими.

В 1118 году, в царствование короля английского Генриха I, на небе появились одновременно две полные луны, одна на западе, а другая на востоке. В том же году король победил в битве.

В 1120, году среди кроваво-красных облаков появились крест и человек, состоявшие из пламени. В том же году шел кровавый дождь; все ожидали светопреставления, но дело кончилось только гражданской войной.

В 1156 году несколько часов подряд блестели вокруг солнца три радужных круга, а когда они исчезли, возникли три солнца. Составитель хроники усмотрел в этом явлении намек на ссору короля с епископом Кентерберийским в Англии и на разрушение после семилетней осады Милана в Италии.

В следующем году опять появились три солнца, а посредине луны был виден белый крест, летописец связал это с раздорами, сопровождавшими избрание нового папы римского.

В январе 1514 года в Вюртемберге были видны три солнца, из коих среднее больше боковых. В то же время на небе появлялись окровавленные и пылающие мечи. В марте того же года опять были видны три солнца и три луны. Тогда же турки были разбиты персами в Армении.

В 1526 году ночью в Вюртемберге были видны в воздухе окровавленные воинские доспехи.

В 1532 году около Инсбрука видели в воздухе чудесные изображения верблюдов, волков, изрыгающих пламя, и, наконец, льва в огненном круге.

Гало в Антарктиде

Наиболее часто разнообразные гало возникают на внутриконтинентальных станциях, расположенных на ледяном куполе Антарктиды и на его склоне на высотах 2700--3500 м над уровнем моря. Это станции Восток (3488 м), Советская (3570 м), Амундсен-Скотт (2880 м). Пионерская (2700 м) и другие. Постоянные сильные ветры и метели, особенно на антарктическом склоне, поднимают в воздух облака снежной пыли. Облака на этих станциях только кристаллические (ледяные), неплотные, их нижняя граница опускается до поверхности Земли.

В отсутствие плотных снежных облаков, когда светит Солнце, возникают необычайно яркие цветные и белые гало. Вокруг Солнца появляются иногда четыре ложных солнца, круги гало радиусом 22 и 46° и другие явления.

Наблюдались и более редкие формы гало_в виде эллиптических гало, описанных вокруг кругов радиусом 22 и 46°. Часто появлялись световые столбы и части паргелического круга. Их пересечение создавало впечатление, что Солнце находится внутри светового креста.

Очень редкий и сложный комплекс гало был сфотографирован А. Хоганом камерой всего неба на станции Амундсен-Скотт 28 января 1977 г. (см. приложение 2)

Яркие цвета гало обусловлены правильными формами кристаллов, дающих хорошее преломление и дисперсию света. Этому способствует и малая толщина ледяных облаков.

Гало в Антарктиде наблюдается часто в течение целого дня, изменяется лишь их форма и яркость цветов.

Гало на других планетах Солнечной системы

В атмосферах планет Солнечной системы или их спутников явления, аналогичные гало, могут быть вызваны преломлением солнечных лучей не в ледяных, а в других кристаллах, например в кубикообразных кристаллах с низкими температурами плавления. Таковы кристаллы N₂, СО, С0₂, SO₂, СН₄. Конечно, у этих кристаллов для различных цветных лучей свои показатели преломления, отличающиеся от показателей преломления льда.

При рассмотрении возможных путей прохождения солнечных лучей через перечисленные кристаллы (для каждого из которых характерен свой показатель преломления) при различных высотах Солнца и разных температурах было выявлено 30 различных возможных форм гало.

Наблюдения за Венерой принесли уже первые результаты. В верхней части ее атмосферы удалось обнаружить круг гало радиусом 28°, который мог быть образован преломлением в кубикообразных кристаллах льда.

В атмосфере спутника Юпитера Ио тоже наблюдалось гало, которое могли образовать солнечные лучи, преломившиеся в кристаллах SO₂. Считают, что кристаллы SO₂ попадают в атмосферу Ио при вулканических извержениях, которые зафиксированы на этом спутнике Юпитера.

Другие солнечные круги: венцы, глории и др

Венцы

Когда Солнце просвечивают сквозь тонкие облака, состоящие из водяных капель или кристаллов, оно часто кажутся окруженными голубоватым сиянием в виде кольца, непосредственно примыкающего к диску светила и оканчивающегося наружным красным краем. Это так называемый ореол или венец первого порядка. За ореолом следуют концентрические с ним венцы второго, третьего и следующих порядков, разделенные темными промежутками. Расположение цветов во всех кольцах одинаковое: внутренний край синевато-зеленоватый переходит в желтый, оранжевый и кончается наружным красным краем. Обычно виден только один ореол; иногда число колец доходит до трех-четырех. Размеры венцов бывают самыми различными. Чаще всего угловой радиус красного края ореола изменяется от долей градуса до 4--5°.

Венцы, как правило, образуются в таких капельно-жидких облаках, как тонкие высоко-кучевые и слоисто-кучевые. Из кристаллических облаков чаще всего дают венцы перисто-слоистые, иногда перисто-кучевые.

Венцы называют малыми кругами вокруг Солнца, в отличие от больших кругов гало, размер которых составляет 22°, 46° и более. Они одинаково часто появляются вокруг Солнца, однако в ярком свете Солнца и неба вокруг него венцы плохо различимы. Их можно видеть через закопченное стекло, дымчатые очки или наблюдая отражение Солнца в спокойной воде.

Венцы в облаках, состоящих из капелек (высоко-кучевых и слоистокучевых), не очень красивы. Обычно виден только один ореол, в виде голубовато-белого сияния, даже красный край плохо заметен. Это объясняется наличием в этих облаках капелек разного размера. Каждый размер дает свой венец, накладываясь друг на друга, венцы капель разного размера "смазывают" картину. В кристаллических облаках (перистых и перисто-слоистых) кристаллы ближе по размерам друг к другу, и цвета в венцах получаются 'более чистыми и яркими. Ореол сопровождается несколькими добавочными кольцами.

Вокруг искусственных источников света также могут появиться венцы. Например, вокруг уличных фонарей в туманную погоду.

Венцы вокруг Солнца возникают за счет однократного рассеяния, или дифракции, солнечного света на капельках или кристалликах облаков. Распределение яркости в венцах описывается теорией дифракции вокруг малых отверстий (капелек) или узких щелей (кристалликов).

Размер венцов определяется средними размерами капелек или кристалликов облака.

Кольцо Бишопа

При сильных вулканических извержениях в атмосферу выбрасывается огромное количество вещества: пепла, вулканической пыли, газов, водяного пара. Вулканическая пыль достигает больших высот, 25--30 км, и воздушными течениями разносится по всему земному шару. После таких извержений, как извержения Кракатау в 1883 г. в Индонезии, Катмая в 1912 г. на Аляске, Мауна-Лоа в 1985 г. на Гавайских островах, вокруг Солнца появлялось коричнево-красное кольцо с внешним угловым радиусом около 22° и шириной 10°. Небо внутри кольца было светлым с голубоватым оттенком.

Это явление было названо кольцом Бишопа по имени первого его исследователя. Судя по размеру, кольцо можно было принять за круг гало радиусом 22°. Однако это был гигантский венец, а не гало. Об этом говорило расположение цветов в кольце Бишопа, наружный край которого был красным, как у венца. Необычайно большой размер венца объяснялся маленькими размерами частичек, кристаллизовавшихся в верхних слоях атмосферы из газообразных продуктов, выброшенных при вулканическом извержении.

Глория

Глория представляет собой одно или несколько ярких радужных концентрических колец вокруг тени самолета, отбрасываемой на нижележащее облако. Дословно «глория» означает «сияние», «ореол».

Космонавты В.В. Коваленок и А.С. Иванченков с орбитальной станции «Салют-6» 2 октября 1978 г. видели глорию в виде радужного ореола, заканчивающегося оранжево-красным краем, образовалась она вокруг направления тени орбитальной станции на облачный покров. При высоте полета станции 300--400 км и размерах станции несколько десятков метров тень видимых размеров на поверхности облачного покрова не могла образоваться. Было только направление на тень станции. Глория перемещалась по облачному покрову вместе со станцией, при этом ее размер немного изменялся, составляя в среднем 1--2°.

Глории, брокенские призраки, нимбы возникают аналогично венцам за счет дифракции солнечных лучей. Они образуются крайними касательными лучами, падающими на поверхность сферической частицы (капельки облака или тумана, росы, песчинки). При прохождении лучей внутрь частицы при некоторых углах основная масса лучей почти полностью отражается и направляется назад, почти параллельно падающим лучам. Эти-то лучи и создают дифракционную картину в обратном направлении. Поэтому глорию называют также "антивенец" или "антикорона".

Брокенский призрак

Явление, аналогичное глории, можно наблюдать в горах вокруг тени человека, падающей на вертикальную стену тумана или облака, окутыающих горную вершину. Сам человек находится на некотором расстоянии - на другой, соседней вершине в слабом тумане или небольшом облачке. Такие условия часто создаются в горах рано утром, когда солнечные лучи падают на горы в направлении, близком к горизонтальному. Увеличенная тень человека оказывается окруженной радужными кольцами.

Это явление впервые было описано по наблюдениям на г. Брокен в горном массиве Гарц в Средней Германии и получило название брокенскрго призрака. Аналогичного вида глории многократно видели альпинисты в горах Кавказа и Памира и в других горных районах мира.

Нимбы

Глория может появиться и вокруг тени головы человека. Для этого надо летом рано утром, как только встанет Солнце, пойти на луг, обильно покрытый росой. Вы увидите, что голова вашей тени окружена глорией. Такие глории принято называть нимбами. Иногда нимбы возникают и на сухих шероховатых поверхностях, чаще всего на песке ("сухие" нимбы), хотя при наличии капелек росы, действующих как собирательные линзы, свечение в нимбе усиливается.

Нимбы чаще всего возникают при низком Солнце, так как увидеть нимб можно только в том случае, если в ваш глаз попали лучи, рассеянные под углом 180°. Это относится и к условиям возникновения брокенского призрака.

Солнечные круги и погода

Гало всегда наблюдается в перисто-слоистых облаках, которые обычно входят в систему облаков теплого фронта. Поэтому появление гало говорит о приближении теплого фронта.

Какие же изменения погоды следует ожидать в связи с прохождением теплого фронта? Прежде всего -- снижение и уплотнение облаков и выпадение осадков обложного характера: дождя, снега или мокрого снега, в зависимости от времени года.

Летом, при установившейся солнечной погоде, прохождение теплого фронта, сопровождающееся низкой облачностью и дождями, обычно воспринимается как ухудшение погоды.

Зимой, при установившейся морозной погоде, появление гало предвещает снижение морозов, потепление в связи со снижением и уплотнением облаков и переход к осадкам.

Ввиду того, что венцы образуются на более мелких элементах облака (каплях или кристаллах), чем гало, можно сделать следующие заключения. Если сначала наблюдались венцы, затем они пропали и через некоторое время появилось гало, то это говорит об укрупнении кристаллов облака и об увеличении вероятности выпадения осадков. Наоборот, если после гало появились венцы, значит, элементы облака испаряются, уменьшаются в размерах. Следовательно, уменьшается вероятность выпадения осадков.

Приложение 1

Положение на небосводе различных явлений гало.

Закрашенные круги и дуги -- цветные гало, незакрашенные -- белые гало. 5 -- Солнце, Z -- зенит, G и G' -- касательные дуги.

Приложение 2

Схема сложного комплекса гало, наблюдавшегося на станции Амундсен-Скотт 28 января 1977 г. А. Хоганом.

Z -- зенит, S -- Солнце, L, L'-- паргелии 22°, Н,Н' -- паргелии 120°, I, I', I''--дуги Перри, G -- околозенитная дуга, F -- косые дуги, проходящие через антелий. А, В,В', С.С' -- внутренние дуги.

Список литературы

1. Билимович Б.Ф. Световые явления вокруг нас. - М.: Просвещение, 1986

2. Зверева С.В. В мире солнечного света. - Л.: Гидрометеоиздат, 1988

3. Мезенцав В.А. Энциклопедия чудес. - М.: Знание, 1988

4. Павленко Ю.Г. Оптика. Законы отражения и преломления. - М.: МГУ, 1992