stringtranslate.com

Гало (оптическое явление)

Гало 22° вокруг Солнца, наблюдаемое над Бреттон-Вудсом, Нью-Гэмпшир , США, 13 февраля 2021 года.
Гало 22 ° и описанное гало вокруг Луны, наблюдаемое возле Национальной обсерватории Китт-Пик.
Сверху вниз:
окружная зенитная дуга , супралатеральная дуга , дуга Парри , верхняя касательная дуга и гало 22°.
Над Южным полюсом наблюдалось гало

Гало (от древнегреческого ἅλως ( hálōs )  «гумно, диск») [1] — оптическое явление , создаваемое светом (обычно от Солнца или Луны), взаимодействующим с кристаллами льда , взвешенными в атмосфере . Ореолы могут иметь множество форм: от цветных или белых колец до дуг и пятен на небе. Многие из них появляются вблизи Солнца или Луны , но другие встречаются в других местах или даже в противоположной части неба. Среди наиболее известных типов гало — круглое гало (правильно называемое гало 22° ), световые столбы и солнечные собаки , но встречаются и многие другие; некоторые из них довольно распространены, а другие крайне редки.

Кристаллы льда , ответственные за ореолы, обычно подвешены в перистых или перисто-слоистых облаках в верхней тропосфере (5–10 км (3,1–6,2 мили)), но в холодную погоду они также могут плавать у земли, и в этом случае их называют как алмазная пыль . Особая форма и ориентация кристаллов определяют тип наблюдаемого гало. Свет отражается и преломляется кристаллами льда и может расщепляться на цвета из -за дисперсии . Кристаллы ведут себя как призмы и зеркала , преломляя и отражая свет между своими гранями, посылая лучи света в определенных направлениях.

Атмосферные оптические явления, такие как ореолы, были частью знаний о погоде, которые были эмпирическим средством прогнозирования погоды до развития метеорологии . Они часто указывают на то, что в течение следующих 24 часов выпадет дождь, поскольку вызывающие его перисто-слоистые облака могут указывать на приближающуюся фронтальную систему.

Другие распространенные типы оптических явлений, в которых участвуют капли воды, а не кристаллы льда, включают славу и радугу .

История

Хотя Аристотель упоминал ореолы и паргелии, в древности первыми европейскими описаниями сложных изображений были описания Кристофа Шайнера в Риме ( ок.  1630 г. ), Иоганна Гевелия в Данциге (1661 г.) и Тобиаса Ловица в Санкт-Петербурге ( ок.  1794 г. ). . Китайские наблюдатели фиксировали их на протяжении веков, причем первой ссылкой был раздел «Официальной истории династии Цинь» ( Цин Шу ) 637 года, посвященный «Десяти гало», в котором даны технические термины для 26 явлений солнечного гало. [2]

Ведерсолставлан

Так называемая «Картина солнечной собаки» ( Vädersolstavlan ), изображающая Стокгольм в 1535 году и небесное явление в то время, интерпретируемое как зловещее предзнаменование.

Хотя Vädersolstavlan ( шведский ; «Картина солнечного пса», буквально «Картина погодного солнца») , в основном известная и часто цитируемая как самое старое цветное изображение города Стокгольма , возможно, также является одним из старейших известных изображений гало. включая пару солнечных собак . В течение двух часов утром 20 апреля 1535 года небо над городом было заполнено белыми кругами и дугами, пересекающими небо, а вокруг Солнца появились дополнительные солнца (т. е. солнечные собаки).

Световой столб

Световой столб, или солнечный столб, выглядит как вертикальный столб или столб света, поднимающийся от Солнца перед закатом или восходом солнца, хотя он может появляться и под Солнцем, особенно если наблюдатель находится на большой высоте или высоте. Это явление вызывают шестиугольные пластинчатые и столбчатые кристаллы льда. Плитчатые кристаллы обычно образуют столбы только тогда, когда Солнце находится в пределах 6 градусов от горизонта; Столбчатые кристаллы могут вызвать столб, когда Солнце находится на высоте до 20 градусов над горизонтом. Кристаллы имеют тенденцию ориентироваться почти горизонтально, когда они падают или плавают в воздухе, а ширина и видимость солнечного столба зависят от расположения кристаллов.

Столбы света также могут образовываться вокруг Луны, уличных фонарей или других ярких источников света. Столбы, образующиеся из наземных источников света, могут казаться намного выше, чем те, что связаны с Солнцем или Луной. Поскольку наблюдатель находится ближе к источнику света, ориентация кристалла имеет меньшее значение при формировании этих столбиков.

Круглый ореол

Кристаллы льда (только четыре представлены выше) образуют гало 22° , при этом красный и синий свет преломляются под немного разными углами.

Среди наиболее известных гало — гало 22° , часто называемое просто «гало», которое выглядит как большое кольцо вокруг Солнца или Луны с радиусом около 22° (примерно ширина вытянутой руки на расстоянии вытянутой руки). Кристаллы льда, образующие гало под углом 22°, ориентированы в атмосфере полуслучайно, в отличие от горизонтальной ориентации, необходимой для некоторых других гало, таких как солнечные собаки и световые столбы. Из-за оптических свойств кристаллов льда свет не отражается внутрь кольца, в результате чего небо становится заметно темнее, чем небо вокруг него, и создается впечатление «дыры в небе». [3] Гало 22° не следует путать с короной , которая представляет собой другое оптическое явление, вызванное каплями воды, а не кристаллами льда, и имеющее вид разноцветного диска, а не кольца.

Другие ореолы могут образовываться под углом 46° к Солнцу , на горизонте или вокруг зенита и могут выглядеть как полные ореолы или неполные дуги.

Кольцо Боттлингера

Кольцо Боттлингера — это редкий тип гало эллиптической, а не круглой формы. Он имеет небольшой диаметр, из-за чего его очень трудно увидеть в ярком солнечном свете и с большей вероятностью его заметят вокруг более тусклого подсолнечника , который часто можно увидеть с горных вершин или с самолетов. Кольца Боттлингера еще недостаточно изучены. Предполагается, что они образованы очень плоскими пирамидальными кристаллами льда с гранями, расположенными под необычно малыми углами, подвешенными горизонтально в атмосфере. Эти точные и физически проблематичные требования могли бы объяснить, почему гало встречается очень редко. [4]

Другие имена

На корнуоллском диалекте английского нимб вокруг Солнца или Луны называется петушиным глазом и является предзнаменованием плохой погоды. Этот термин связан с бретонским словом kog-heol (солнечный петух), имеющим то же значение. [5] В Непале нимб вокруг Солнца называется Индрасабха , что означает двор собрания Господа Индры – индуистского бога молнии, грома и дождя. [6]

Искусственные ореолы

Природные явления могут быть воспроизведены искусственно несколькими способами. Во-первых, с помощью компьютерного моделирования [7] [8] или, во-вторых, экспериментальным путем. Что касается последнего, то это происходит при вращении монокристалла вокруг соответствующей оси/осей или при химическом подходе. Еще один и более косвенный экспериментальный подход заключается в поиске аналогичной геометрии рефракции.

Аналогичный подход рефракции

Аналогичный эксперимент по демонстрации рефракции околозенитной дуги. [9] Здесь в книге Гилберта ее ошибочно называют искусственной радугой. [10]

В этом подходе используется тот факт, что в некоторых случаях средняя геометрия преломления через кристалл льда может быть имитирована посредством преломления через другой геометрический объект. Таким образом, околозенитная дуга , окологоризонтальная дуга и дуги Парри в солнечной пещере могут быть воссозданы путем преломления через вращательно-симметричные (т.е. непризматические) статические тела. [9] Особенно простой настольный эксперимент искусственно воспроизводит красочные околозенитные и окологоризонтальные дуги, используя только стакан с водой. Преломление через цилиндр с водой оказывается (почти) идентичным усреднённому по вращению преломлению через вертикальный шестиугольный кристалл льда/кристаллы, ориентированные на пластины, тем самым создавая ярко окрашенные околозенитную и окологоризонтальную дуги. Фактически, эксперимент с жидким стеклом часто путают с изображением радуги, и он проводится по крайней мере с 1920 года. [10]

Следуя идее Гюйгенса о (ложном) механизме паргелии 22°, можно также осветить (сбоку) заполненный водой цилиндрический стакан с внутренним центральным препятствием в половину диаметра стакана, чтобы при проекции на экран добиться внешний вид очень напоминает паргелию (см. сноску [39] в [9] или см. здесь [11] ), внутренний красный край, переходящий в белую полосу под большими углами по обе стороны от направления прямой передачи. Однако, хотя визуальное совпадение близко, этот конкретный эксперимент не включает в себя искусственный каустический механизм и, следовательно, не является реальным аналогом.

Химические подходы

Самые ранние химические рецепты создания искусственных ореолов были предложены Брюстером и впоследствии изучены А. Корню в 1889 году. [12] Идея заключалась в создании кристаллов путем осаждения солевого раствора. Создаваемые таким образом бесчисленные маленькие кристаллы при освещении светом будут вызывать ореолы, соответствующие конкретной геометрии кристалла и ориентации/выравниванию. Существует несколько рецептов, которые продолжают открываться. [13] Кольца — частый результат таких экспериментов. [14] Но таким же способом искусственно создавались и дуги Парри. [15]

Механические подходы

Одна ось

Самые ранние экспериментальные исследования явлений гало приписываются [16] Огюсту Браве в 1847 году. [17] Браве использовал равностороннюю стеклянную призму, которую он вращал вокруг своей вертикальной оси. При освещении параллельным белым светом возник искусственный паргелический круг и множество встроенных паргелий. Аналогично А. Вегенер использовал шестиугольные вращающиеся кристаллы для создания искусственных субпаргелий. [18] В более поздней версии этого эксперимента было обнаружено гораздо больше встроенных паргелий с использованием коммерчески доступных [19] гексагональных кристаллов стекла BK7. [20] Подобные простые эксперименты можно использовать в образовательных целях и демонстрационных экспериментах. [13] [21] К сожалению, используя стеклянные кристаллы, невозможно воспроизвести околозенитную или окологоризонтальную дугу из-за полных внутренних отражений, препятствующих требуемым траекториям лучей при .

Еще раньше Браве итальянский ученый Ф. Вентури экспериментировал с заостренными, наполненными водой призмами, чтобы продемонстрировать околозенитную дугу. [22] [23] Однако позже это объяснение было заменено правильным объяснением CZA Браве. [17]

Искусственный ореол, проецируемый на сферический экран. [24] [25] Видимые: тангенциальные дуги, дуги Парри, (суб)паргелии, паргелические круги, гелиакические дуги.

Кристаллы искусственного льда использовались для создания ореолов, которые иначе невозможно получить механическим способом за счет использования кристаллов стекла, например, околозенитных и окологоризонтальных дуг. [26] Использование кристаллов льда гарантирует, что генерируемые ореолы имеют те же угловые координаты, что и природные явления. Другие кристаллы, такие как фторид натрия (NaF), также имеют показатель преломления, близкий к льду, и использовались в прошлом. [27]

Две оси

Чтобы создать искусственные ореолы, такие как касательные дуги или описанный ореол, необходимо повернуть один столбчатый шестиугольный кристалл вокруг двух осей. Аналогично, дуги Ловица могут быть созданы путем вращения одного пластинчатого кристалла вокруг двух осей. Это можно сделать с помощью специально разработанных гало-машин. Первая такая машина была построена в 2003 году; [28] последовали еще несколько. [25] [29] Помещая такие машины внутрь сферических проекционных экранов и используя принцип так называемого преобразования неба, [30] аналогия становится почти идеальной. Реализация с использованием микроверсий вышеупомянутых машин создает аутентичные без искажений проекции таких сложных искусственных ореолов. [9] [24] [25] Наконец, суперпозиция нескольких изображений и проекций, созданных такими гало-машинами, может быть объединена для создания единого изображения. Получающееся в результате суперпозиции изображение представляет собой представление сложных природных гало, содержащих множество наборов ледяных призм различной ориентации. [24] [25]

Три оси

Экспериментальное воспроизведение круглых ореолов является наиболее сложным с использованием только монокристалла, но наиболее простым и обычно достигается с использованием химических рецептов. Используя монокристалл, необходимо реализовать все возможные трехмерные ориентации кристалла. Недавно это было достигнуто с помощью двух подходов. Первый использует пневматику и сложную оснастку [29] , а второй использует машину случайных блужданий на базе Arduino, которая стохастически переориентирует кристалл, встроенный в прозрачную тонкостенную сферу. [21]

Галерея

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ "Гало". Словарь английского языка американского наследия (5-е изд.). ХарперКоллинз.
  2. ^ Пин-Ю, Хо; Нидхэм, Джозеф (1959). «Древние китайские наблюдения солнечных гало и паргелий». Погода . 14 (4). Уайли: 124–134. Бибкод : 1959Wthr...14..124P. doi :10.1002/j.1477-8696.1959.tb02450.x. ISSN  0043-1656.
  3. ^ "Диск с дыркой в ​​небе". Атмосферная оптика . Проверено 3 августа 2016 г.
  4. ^ Лес Коули. «Кольца Боттлингера». Атмосферная оптика . Проверено 26 июня 2017 г.
  5. ^ Нэнси, Роберт Мортон; Пул, ПАС (1963). Словарь корнуоллских морских слов . Корнуолл: Федерация обществ старого Корнуолла. п. 61.
  6. ^ «Небо Непала украшено необычайным ореолом вокруг солнца в форме круглой радуги» . Гималайские Таймс . 9 июля 2015 года . Проверено 3 августа 2016 г.
  7. ^ Коули, Лес; Шредер, Майкл. «ХалоСим3». atoptics.co.uk .
  8. ^ «HaloPoint 2.0». Saunalahti.fi . Архивировано из оригинала 07.10.2016.
  9. ^ abcd Сельмке, Маркус; Сельмке, Сара (2017). «Искусственные околозенитные и окологоризонтальные дуги». Американский журнал физики . 85 (8). Американская ассоциация учителей физики : 575–581. arXiv : 1608.08664 . Бибкод : 2017AmJPh..85..575S. дои : 10.1119/1.4984802. ISSN  0002-9505. S2CID  118613833.
  10. ^ ab «Эксперимент № 94». Гилберт экспериментирует со светом для мальчиков. 1920. с. 98 – через archive.org.
  11. ^ «Эксперименты». photonicsdesign.jimdofree.com .
  12. ^ Корню, А. (1889). «Sur la artificielle des halos et des cercles parhéliques». Граф Рендюс Ак. Париж (на французском языке). 108 : 429–433.
  13. ^ Аб Фоллмер, Майкл; Таммер, Роберт (20 марта 1998 г.). «Лабораторные эксперименты по оптике атмосферы». Прикладная оптика . 37 (9). Оптическое общество: 1557-1568. Бибкод : 1998ApOpt..37.1557V. дои : 10.1364/ao.37.001557. ISSN  0003-6935. ПМИД  18268748.
  14. ^ Гислен, Ларс; Маттссон, Ян О (16 октября 2007 г.). «Настольные ореолы расходящегося света». Физическое образование . 42 (6). Издательство ИОП: 579–584. Бибкод : 2007PhyEd..42..579G. дои : 10.1088/0031-9120/42/6/003. ISSN  0031-9120. S2CID  122261149.
  15. ^ Улановский, Збигнев (20 сентября 2005 г.). «Ледяные аналоговые нимбы». Прикладная оптика . 44 (27). Оптическое общество: 5754–5758. Бибкод : 2005ApOpt..44.5754U. дои : 10.1364/ao.44.005754. ISSN  0003-6935. ПМИД  16201438.
  16. ^ де Бомон, М. Эли (1869). Мемуары Огюста Браве . Вашингтон, округ Колумбия: Смитсоновский институт .
  17. ^ ab «Mémoire sur les halos et les phénomènes optiques qui les сопровождающие». J. de l'École Royale Polytechnique (на французском языке). 31 (18). §XXIV – Искусственное воспроизведение оптических явлений с помощью вертикальных призм, рисунки: PL I: Рис. 48, PL II: Рис. 49–54: 1–270. 1847.{{cite journal}}: CS1 maint: location (link)
  18. ^ Вегнер, А. (1917). «Die Nebensonnen unter dem Horizont». Метеорол. З. (на немецком языке). 34–52 (8/9): 295–298.
  19. ^ «Гомогенизация световых стержней / световых трубок» . edmundoptics.com .
  20. ^ Борхардт, Сара; Сельмке, Маркус (21 июля 2015 г.). «Распределение интенсивности паргелического круга и встроенных паргелий на нулевой высоте Солнца: теория и эксперименты». Прикладная оптика . 54 (22). Оптическое общество: 6608–6615. Бибкод : 2015ApOpt..54.6608B. дои : 10.1364/ao.54.006608. ISSN  0003-6935. PMID  26368071. S2CID  39382489.
  21. ^ Аб Сельмке, Маркус (2015). «Искусственные ореолы». Американский журнал физики . 83 (9). Американская ассоциация учителей физики: 751–760. Бибкод : 2015AmJPh..83..751S. дои : 10.1119/1.4923458. ISSN  0002-9505.
  22. ^ Вентури, Ф. Commentarii sopra ottica . Тав VIII, рис. 17, с. 219; дуга: PGQ, рис. 27, с. 213.{{cite book}}: CS1 maint: location (link)
  23. ^ Гелер, Иоганн Самуэль Трауготт (1829). Physikalisches Wörterbuch: neu Bearbeitet von Brandes, Gmelin, Horner, Muncke, Pfaff (на немецком языке). Э.Б. Швикерт. п. 494 – через archive.org.
  24. ^ abc «Сферический проекционный экран для искусственных ореолов». BoredPanda.com .
  25. ^ abcd Сельмке, Маркус; Сельмке, Сара (2016). «Сложные искусственные ореолы для классной комнаты». Американский журнал физики . 84 (7). Американская ассоциация учителей физики: 561–564. Бибкод : 2016AmJPh..84..561S. дои : 10.1119/1.4953342. ISSN  0002-9505.
  26. ^ "26. - 29.11.2015 - Божий Дар" . .meteoros.de . Arbeitskreis Meteore eV 2015 . Проверено 31 января 2024 г.
  27. ^ Барки, Б.; Лиу, КН; Такано, Ю.; и другие. (1999). «Аналоговый эксперимент по рассеянию света гексагональными льдоподобными частицами. Часть II: Экспериментальные и теоретические результаты». Журнал атмосферных наук . 56 .
  28. ^ Воллмер, Майкл; Гринлер, Роберт (20 января 2003 г.). «Демонстрация гало и миражей в оптике атмосферы». Прикладная оптика . 42 (3). Оптическое общество: 394–398. Бибкод : 2003ApOpt..42..394V. дои : 10.1364/ao.42.000394. ISSN  0003-6935. ПМИД  12570259.
  29. ^ Аб Гроссманн, Майкл; Мёлльманн, Клаус-Петер; Воллмер, Майкл (15 декабря 2014 г.). «Искусственно созданные ореолы: вращение кристаллов образца вокруг различных осей». Прикладная оптика . 54 (4). Оптическое общество: B97-106. дои : 10.1364/ao.54.000b97. ISSN  1559-128Х. ПМИД  25967845.
  30. ^ «Трансформация неба». atoptics.co.uk .

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы по теме Halo.