Гало (оптическое явление) - Halo (optical phenomenon)

Для использования в других целях см. Halo (значения).
А Ореол 22 ° вокруг Солнца, как видно в небе над базовым лагерем Аннапурны, Аннапурна, Непал
Сверху вниз:
А околозенитная дуга, супралатеральная дуга, Арка парирования, верхняя касательная дуга, и Ореол 22 °

Гало (из Греческий ἅλως, Halōs[1]) - это название семьи оптические явления производится светом (обычно от Солнца или Луны), взаимодействующим с кристаллы льда приостановлено в атмосфера. Ореолы могут иметь множество форм, от цветных или белых колец до дуг и пятен на небе. Многие из них появляются рядом с солнце или же Луна, но другие происходят где-то еще или даже в противоположной части неба. Среди наиболее известных типов ореолов круговой ореол (правильное название Ореол 22 ° ), световые столбы, и Солнечные собаки, но встречаются и многие другие; некоторые из них довольно распространены, а другие (чрезвычайно) редки.

В кристаллы льда ответственные за ореолы обычно подвешиваются в циррус или же перисто-слоистые облака в верхнем тропосфера (5–10 км (3,1–6,2 мили)), но в холодную погоду они также могут плавать у земли, и в этом случае их называют Бриллиантовая пыль. Конкретная форма и ориентация кристаллов определяют тип наблюдаемого гало. Свет является отраженный и преломленный посредством кристаллы льда и может разделиться на цвета потому что разброс. Кристаллы ведут себя как призмы и зеркала, преломляя и отражая свет между своими лицами, посылая лучи света в определенных направлениях.Атмосферные оптические явления как ореолы использовались как часть погодных преданий, эмпирический средства прогноз погоды перед метеорология был развит. Они часто указывают на то, что в течение следующих 24 часов пойдет дождь, поскольку вызывающие их перисто-слоистые облака могут указывать на приближающуюся фронтальную систему.

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

История

Пока Аристотель упоминали ореолы и пархелии, в древности первые европейские описания сложных проявлений были Кристоф Шайнер в Риме (около 1630 г.), Гевелий в Данциге (1661) и Тобиас Ловиц в Санкт-Петербурге (около 1794 г.). Китайские наблюдатели записывали их на протяжении веков, первая ссылка - это раздел «Официальной истории династии Чин» (Чин Шу) в 637 г., о «Десяти гало», давая технические термины для 26 явлений гало на Солнце.[2]

Vädersolstavlan

Так называемая «Картина Собаки Солнца» (Vädersolstavlan) с изображением Стокгольм в 1535 году, и небесное явление в то время интерпретировалось как зловещее предзнаменование.

Хотя в основном известен и часто цитируется как старейшее цветное изображение города Стокгольм, Vädersolstavlan (Шведский; «Картина Солнца Солнца», буквально «Картина Солнца Погоды»), возможно, также является одним из старейших известных изображений ореола, включая пару Солнечные собаки. В течение двух часов утром 20 апреля 1535 года небо над городом было заполнено белыми кругами и дугами, пересекающими небо, в то время как вокруг солнца появлялись дополнительные солнца (то есть солнечные собаки).

Световой столб

Основная статья: 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. Причиной этого явления являются гексагональные пластинчатые и столбчатые кристаллы льда. Пластинчатые кристаллы обычно образуют столбы только тогда, когда солнце находится в пределах 6 градусов от горизонта; кристаллы-столбики могут вызвать столб, когда солнце поднимается на 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 ориентации кристалла.

Световые столбы также могут образовываться вокруг луны, уличных фонарей или других ярких фонарей. 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 столбов.

Круговой нимб

Дальнейшая информация: Ореол 22 ° и Ореол 46 °
Кристаллы льда (только четыре представлены выше) образуют Ореол 22 °, причем красный и синий свет преломляются под немного разными углами.

Среди самых известных ореолов - Ореол 22 °, часто просто называемый «ореолом», который выглядит как большое кольцо вокруг Солнца или Луны с радиусом около 22 ° (примерно ширина вытянутой руки на расстоянии вытянутой руки). Кристаллы льда, которые вызывают гало 22 °, ориентированы в атмосфере полуслучайно, в отличие от горизонтальной ориентации, необходимой для некоторых других гало, таких как Солнечные собаки и световые столбы. В результате оптических свойств задействованных 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] Ореол 22 ° не следует путать с корона, который представляет собой другое оптическое явление, вызванное каплями воды, а не кристаллами льда, и которое имеет вид разноцветного диска, а не кольца.

Другие ореолы могут образовываться при 46 ° к солнцу, или же на горизонте, или же в зените, и может выглядеть как полные ореолы или неполные дуги.

Кольцо Буттлингера

А Кольцо Буттлингера - это редкий тип ореола, который имеет форму эллипса, а не круга. Он имеет небольшой диаметр, из-за чего его очень трудно увидеть в бликах Солнца, и его с большей вероятностью заметят вокруг диммера. Subsun, часто наблюдаемые с горных вершин или с самолетов. Кольца Боттлингера еще недостаточно изучены. Предполагается, что они образованы очень плоскими пирамидальный кристаллы льда с гранями под необычно низкими углами, горизонтально подвешенные в атмосфере. Эти точные и физически проблемные требования объясняют, почему ореол встречается очень редко.[4]

Другие имена

в Англо-корнуоллский на диалекте английского языка ореол вокруг солнца или луны называется петушиный глаз и является жетон непогоды. Термин относится к Бретонский слово когхеол (солнечный петух), что имеет то же значение.[5] В Непал, нимб вокруг солнца называется Индрасабха с коннотацией суда собрания Господь Индра - в Индуистский бог молнии, грома и дождя.[6]

Искусственные ореолы

Природные явления можно воспроизвести искусственно несколькими способами. Во-первых, с помощью компьютерного моделирования,[7][8] или, во-вторых, экспериментальным путем. Что касается последнего, можно либо взять монокристалл и повернуть его вокруг соответствующей оси / осей, либо применить химический подход. Еще один дальнейший и более косвенный экспериментальный подход - найти аналогичную геометрию рефракции.

Аналогичный подход рефракции

Аналогичный эксперимент по демонстрации рефракции для циркумзенитальной дуги.[9] Здесь это ошибочно обозначено как искусственная радуга в книге Гилбертса.[10]

В этом подходе используется тот факт, что в некоторых случаях средняя геометрия рефракции через кристалл льда может имитироваться / имитироваться через преломление через другой геометрический объект. Таким образом, Циркумзенитальная дуга, то Кругогоризонтальная дуга а дуги Парри солнечной пещеры могут быть воссозданы за счет преломления через вращательно-симметричные (т.е. непризматические) статические тела.[9] В особенно простом настольном эксперименте искусственно воспроизводятся красочные околозенитные и окологоризонтальные дуги, используя только стакан с водой. Рефракция через цилиндр воды оказывается (почти) идентична усредненной по вращению рефракции через вертикальный гексагональный ледяной кристалл / пластинчатые кристаллы, тем самым создавая ярко окрашенные околозенитные и окологоризонтальные 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 получить при проецировании на экран внешность, которая очень напоминает parhelia (см. сноску [39] в Ref.[9] или посмотреть здесь[11]), то есть внутренний красный край, переходящий в белую полосу под большими углами по обе стороны от направления прямой передачи. Однако, несмотря на то, что визуальное совпадение близко, этот конкретный эксперимент не включает механизм ложной каустики и, следовательно, не является настоящим аналогом.

Химические подходы

Самые ранние химические рецепты для создания искусственных ореолов были предложены Брюстером и исследованы А. Корню в 1889 году.[12] Идея заключалась в создании кристаллов путем осаждения солевого раствора. Таким образом образующиеся бесчисленные маленькие кристаллы при освещении светом будут вызывать ореолы, соответствующие конкретной геометрии кристалла и ориентации / выравниванию. Несколько рецептов существуют и продолжают открываться.[13] Кольца - частый результат таких экспериментов.[14] Но и дуги Парри были созданы таким образом искусственно.[15]

Механические подходы

Одиночная ось

Самые ранние экспериментальные исследования явлений гало были приписаны[16] Огюсту Браве в 1847 году.[17] Браве использовал равностороннюю стеклянную призму, которую он вращал вокруг ее вертикальной оси. При освещении параллельным белым светом это создавало искусственное Пархелический круг и многие встроенные пархелии. Точно так же А. Вегенер использовал гексагональные вращающиеся кристаллы для создания искусственных субпаргелий.[18] В более поздней версии этого эксперимента было обнаружено гораздо больше встроенных пархелий с использованием коммерчески доступных[19] гексагональные кристаллы стекла ВК7.[20] Подобные простые эксперименты можно использовать в образовательных целях и в демонстрационных экспериментах.[13][21] К сожалению, используя стеклянные кристаллы, невозможно воспроизвести околозенитную дугу или окологоризонтальную дугу из-за полного внутреннего отражения, препятствующего требуемым траекториям лучей, когда .

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

Искусственный ореол проецируется на сферический экран.[24][25] Видны: тангенциальные дуги, дуги парирования, (суб) паргелия, паргелическая окружность, гелиакальные дуги.

Кристаллы искусственного льда использовались для создания ореолов, которые иначе недостижимы при механическом подходе с использованием кристаллов стекла, например околозенитные и околегоризонтальные дуги.[26] Использование кристаллов льда гарантирует, что образующиеся ореолы имеют те же угловые координаты, что и природные явления. Другие кристаллы, такие как NaF, также имеют показатель преломления, близкий к показателю преломления льда, и использовались в прошлом.[27]

Две оси

Чтобы создать искусственные гало, такие как касательные дуги или описанное гало, нужно повернуть один столбчатый шестиугольный кристалл вокруг 2 осей. Точно так же дуги Ловица могут быть созданы путем вращения монокристалла-пластины вокруг двух осей. Это можно сделать с помощью сконструированных гало-машин. Первая такая машина была построена в 2003 году;[28] последовали еще несколько.[25][29] Поместив такие машины в сферические проекционные экраны и по принципу так называемого преобразования неба,[30] аналогия почти идеальна. Реализация с использованием микроверсий вышеупомянутых машин дает достоверные без искажений проекции таких сложных искусственных ореолов.[9][24][25] Наконец, наложение нескольких изображений и проекций, создаваемых такими гало-машинами, может быть объединено для создания единого изображения. Полученное в результате наложение изображение представляет собой представление сложных естественных ореолов, содержащих множество различных ориентационных наборов ледяных призм.[24][25]

Три оси

Экспериментальное воспроизведение круговых ореолов является наиболее сложным с использованием только монокристалла, в то время как оно является самым простым и обычно достигается с помощью химических рецептов. Используя монокристалл, необходимо реализовать все возможные трехмерные ориентации кристалла. Недавно это было достигнуто двумя подходами. Первый, использующий пневматику и сложную оснастку,[29] и второй, использующий машину случайного блуждания на базе Arduino, которая стохастически меняет ориентацию кристалла, встроенного в прозрачную тонкостенную сферу.[21]

Галерея

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Харпер, Дуглас. "гало". Интернет-словарь этимологии. ἅλως. Лидделл, Генри Джордж; Скотт, Роберт; Греко-английский лексикон на Проект Персей.
  2. ^ Хо Пинг-Ю, Джозеф Нидхэм Древние китайские наблюдения за солнечными гало и пархелиями Погода Апрель 1959 г. (том 14, выпуск 4), с. 124-134
  3. ^ ""Диск с дырой "в небо". Оптика атмосферы. Получено 3 августа 2016.
  4. ^ Лес Коули. "Кольцо Боттлингера". Оптика атмосферы. Получено 2017-06-26.
  5. ^ Нэнси, Роберт Мортон; Пул, П.А.С. (1963). Словарь морских слов Корнуолла. Корнуолл: Федерация старых обществ Корнуолла. п. 61.
  6. ^ «Небо Непала украшено необычным ореолом« круглой радуги »вокруг солнца». Гималайские времена. 9 июля 2015 г.. Получено 3 августа 2016.
  7. ^ HaloSim3 Леса Коули и Майкла Шредера связь
  8. ^ HaloPoint 2.0 связь В архиве 2016-10-07 в Wayback Machine
  9. ^ а б c d «Искусственные циркумзенитальные и окологоризонтальные дуги», М. Селмке и С. Селмке, Американский журнал физики (Am. J. Phys.), Том 85 (8), стр. 575-581 связь
  10. ^ а б Световые эксперименты Гилберта для мальчиков - (1920), стр. 98, опыт № 94 связь
  11. ^ Веб-страница с описанием нескольких экспериментов своими руками связь
  12. ^ «Sur la artificielle des halos et des cercles parh eliques», Comtes Rendus Ac. Париж 108, 429–433, А. Корню, 1889.
  13. ^ а б «Лабораторные эксперименты по оптике атмосферы», Опт. Express 37 (9), 1557–1568, М. Фоллмер и Р. Таммер, 1998. связь
  14. ^ «Настольные ореолы расходящегося света», Physics Education 42 (6), L. Gisle и J. O Mattsson, 2007. связь
  15. ^ Улановский З. Аналоговые ледяные гало // Прикл. Оптика 44 (27), 5754–5758, 2005. связь
  16. ^ М. Эли де Бомон, Воспоминания Огюста Браве (Смитсоновский институт, Вашингтон, 1869 г.)
  17. ^ а б "Mémoire sur les halos et les phénomènes optiques qui les affagnent", 1847, J. de l'École Royale Polytechnique 31 (18), p.1-270, §XXIV - Reproduction artificielle des fénomènes optiques dus à des prismes à ax vertical , Рисунки: PL I: Рис. 48, PL II: Рис: 49-54.
  18. ^ «Die Nebensonnen unter dem Horizont», Meteorol. Z. 34–52 (8/9), 295–298, A. Wegner, 1917.
  19. ^ Гомогенизирующие световые стержни / световые трубки связь
  20. ^ «Распределение интенсивности паргелического круга и вложенной паргелии на нулевой отметке Солнца: теория и эксперименты», Прикладная оптика (Appl. Opt.), Vol. 54, Issue 22, 6608–6615, S. Borchardt, M. Selmke, 2015. связь
  21. ^ а б "Искусственные ореолы", Американский журнал физики (Am. J. Phys.), Vol. 83 (9), 751–760, М. Сельмке, 2015. связь
  22. ^ Ф. Вентури, "Commentarii sopra ottica", стр. 219, Tav VIII, рис. 17, дуга: PGQ, рис. 27, стр. 213.
  23. ^ Иоганн Самуэль Трауготт Гелер (1829 г.). Physikalisches Wörterbuch: neu bearbeitet von Brandes, Gmelin, Horner, Muncke, Pfaff. Э. Б. Швикерт. п.494.
  24. ^ а б c Статья с изображениями на BoredPanda: Сферический проекционный экран для искусственных ореолов
  25. ^ а б c d «Сложные искусственные ореолы для классной комнаты», Американский журнал физики (Am. J. Phys.), Vol. 84 (7), 561–564, М. Сельмке и С. Сельмке, 2016. связь
  26. ^ Домашняя страница: Arbeitskreis Meteore e.V. связь
  27. ^ "Аналоговый эксперимент по рассеянию света гексагональными частицами, похожими на ледяную. Часть II: Экспериментальные и теоретические результаты", JOURNAL OF THE ATMOSPHERIC SCIENCES, Vol. 56, Б. Барки, К. Лиу, Ю. Такано, В. Геллерман, П. Соколклы, 1999.
  28. ^ «Демонстрация гало и миражей в атмосферной оптике», Прил. Опт. 42 (3), 394–398, М. Фоллмер и Р. Гринлер, 2003 г. связь
  29. ^ а б «Искусственно созданные гало: вращение кристаллов образца вокруг различных осей», Applied Optics Vol. 54, выпуск 4, стр. B97-B106, Майкл Гросманн, Клаус-Петер Мёлльманн и Майкл Фоллмер, 2015. связь
  30. ^ "Sky Transform" на atoptics.co.uk: связь

внешняя ссылка