Det finns många optiska fenomen som man kan observera i naturen. En är regnbågen som de flesta har sett även om den inte är så vanlig att se då den kräver speciella förutsättningar. Det finns även andra fenomen som dom flesta har sett, exempelvis hägringar, men det finns ett fenomen som är vanligare än regnbågen men som inte alla observerar. Detta är olika typer av halofenomen som syns som pelare, ringar, bågar eller ljusfläckar på himlen. Halofenomen syns under speciella väderförhållanden och beror på ljusets brytning i iskristaller till skillnad mot regnbågen där brytningen sker i regndroppar. Ljuskällor som kan vara solen eller månen, men det kan också vara starka lampor, som gatubelysning.
Halofenomen har observerats under tidernas lopp och beskrivits eller avbildats, bland annat finns dom avbildade i den så kallade Vädersolstavlan [1] i Storkyrkan i Stockholm som visar ett halofenomen som skulle ha setts den 20 april 1535. Ett av dom mest kända halofenomenen observerades i St. Petersburg 18 juli 1794, som uppvisade ett mycket vackert mönster[2].
Även om de ovan nämnd halofenomenen är mycket spektakulära så är även dom mer vardagliga väl värda att uppmärksamma, speciellt som dom är ganska vanliga. Vad som behövs för att man skall få ett halo är att det bildas iskristaller i atmosfären. Is ger hexagonala kristaller, något som kan ses genom den sexfaldiga symmetrin hos snökristaller. Iskristallernas form och storlek kommer bero på temperatur och luftfuktighet. En långsam kristalltillväxt som ger fina enkla kristaller kräver en låg luftfuktighet, ca 0.05-0.1 gram vatten per kubikmeter. Är luftfuktigheten hög sker tillväxten för snabbt och hålrum samt mer komplexa strukturer kan bildas, något som alla som odlat kristaller vet kan hända vid för snabb tillväxt. Men även temperaturen spelar roll för kristallernas utseende. Vid temperaturer mellan –3º och –10º samt temperaturer under -21º bildas enkla avlånga prismor, medan det i mellanintervallet bildas plattor.
Dessa kristaller förekommer ofta i de slöjformade cirrostratus molnen, vilka är så tunna att ljuset från sol och måne släpps igenom. Cirrostratus föregår oftast en varmfront, varför man bör titta efter halofenomen när en varmfront är i antågande, men kan även ses efter en kallfront.
När ljuset faller in mot dessa kristaller kommer det att brytas. Då en hexagon kan ses som två sammansatta avhuggna 60º prisman (toppvinkeln 60º) kan man snabbt och enkelt räkna ut att vi kommer att få en minimideviation hos ljuset, det vill säga att avlänkningen av ljuset, inte kan vara mindre än en viss vinkel. För ett 60º prisma med brytningsindex n=1.33 (is och vatten) får man en vinkel på 22º , det vill säga att det kommer att bildas en ring runt solen eller månen med en vinkel på 22º från centrum. En bra minnesregel är att om man håller armen utsträckt så kommer avståndet mellan tummen och det utsträckta lillfingret att vara ca 22º. Detta gör att man relativt lätt kan hitta 22º ringen. Att det blir en ring beror på att kristallerna har en slumpmässig orientering i atmosfären.
Men kristallerna kommer även att kunna orientera sig i luften när dom ”faller” och detta kommer att ge upphov till ytterligare effekter. Plattorna kommer på samma sätt som löv falla med basytan horisontellt, medan prismorna orienterar sig så att den långa axeln faller horisontellt, det vill säga dom får en orientering som visas i bilden av kristallerna ovan.
Det är möjligt att göra simuleringar av olika Halofenomen med olika datorprogram. Ett av dessa är Halosim. Man har möjligheten att välja både kristaller och deras orientering i luften för att se vila halon man får. I figuren under visas de halon man kan få för ett typiskt cirrostratosmoln. De olika halon man ser beror på olika brytningar och reflektioner i iskristallerna.
Parhelia bågen uppkommer genom reflektioner på iskristallernas ytor och inte genom brytning. Dessa ger även upphov till solpelare som man kan se när solen står lågt eller över gatlampor i kallt väder.
Det vanligaste halofenomenet är 22º halon som framträder vid alla solhöjder. Ursprunget är minimideviationen i iskristallerna, det är främst plattorna som ger detta fenomen. Här är det viktigt att orienteringen är slumpmässig för råder en situation där iskristallerna är fullständigt orienterade kommer 22º halon inte att synas.
Parhelia eller bisolar uppkommer genom att ljuset bryts i dom horisontellt svävande plattorna. Parhelias placering beror på solens höjd, där dom ligger på 22º ringen då solen ligger i horisonten. För andra solhöjder kommer dom att avlägsna sig utåt längs parhelia bågen men alltid ligga på den. Dessa uppkommer dock inte för solhöjder över 61º. Genom intern reflektion i kristallerna kan man få flera sub-parhelia, även dom på parhelia bågen. Se simuleringen av St. Petersburgs halofenomenet (figur 1.), man även på vädersolstavlan finns sub-parhelia målade.
Övre och nedre tangentbågen som är sammankopplade med 22º halon, uppkommer på samma sätt men nu är det slumpmässigt orienterade prismor som är upphovet. Även här kommer solhöjden att ha betydelse för utseendet, där solhöjder över 40º gör att bågarna smälter samman till ett ”circumscribed” halo. Här har vi alla möjliga orienteringar för prismorna, men det finns ett specialfall med ytterligare restriktioner, nämligen att den långa basytan är horisontell. Kristallen ”vilar” så att säga på en plan yta. Detta kallas för Parry orientering och ger upphov till så kallade Parry bågar.
Den cirkumzenitala bågen uppkommer genom att ljus kommer in genom en av sidoytorna och ut genom basytan. Detta kan bara inträffa då solhöjden är under 32º.
Kommer ljuset in genom basytan och går ut genom en av sidoytorna erhålles en cirkumhorisontal båge, vilket bara sker vid solhöjder över 58º.
I tillägg till dessa vanligaste, finns ett antal andra namngivna halon som inte tas upp här, men som finns beskrivna i olika böcker [3-6] och hemsidor på nätet (se länklistan). Det är intressant att använda sig av dessa fenomen i undervisningen och koppla naturliga fenomen till vad man kan producera i skolsalen, antingen genom datorsimuleringar eller direkta experiment.
Datorsimuleringar av halofenomen.
Med dagens datorer är det lätt att köra simuleringar för att synliggöra olika fenomen. När det gäller halon finns ett några olika program, där den som används mest är Halosim som är skrivet av Les Cowley och Michael Schröder.För att använda programmet bör man antigen ha tillgång till en bra bok eller en websida som beskriver olika halon som stöd. Simuleringarna i denna artikel har skapats med Halosim. För att visa en del av möjligheterna visas resultatet av en simulering där solhöjden varierats från horisonten (0°) till 45°, där parhelia’s läge visas. I simuleringen syns även 22° halon och parhelia bågen, vid 0° och 15° ser man även solpelarna. I dessa simuleringar har plattor med horisontell (70%) och slumpmässing (30%) orientering använts, dom slumpmässiga för att få fram 22° halon. Horisonten finns även med på samtliga simuleringar.
Jämför man med observationer stämmer dessa simuleringar bra. På detta sätt kan man göra ett antal simuleringar och jämföra dom med observationer eller fotografier för att se vad som gett dessa fenomen.
Experiment på halofenomen.
Men det är möjligt om än lite omständigt att återskapa en del av de halo fenomen som man ser i naturen. Om man begränsar sig till att återskapa parhelia, så är det fullt tillräckligt med ett 60°-prisma (liksidigt) i glas eller plexiglas. Man monterar prismat på en roterande platta och belyser det med en stark fokuserad ljusstråle. I och med att ljuset kommer spridas runt i rummet skall man inte använda en laser till detta. Man kommer då att observera att parhelia bildas, inte med en vinkel på 22° då brytningsindex för glas (n~1.6) eller plexiglas (n~1.48) är större än för is (n=1.31), men principen visas klart. Genom att luta på prismorna kan man simulera olika solhöjder. I figurerna nedan visas detta med ett plexiglas prisma för olika solhöjder (jämför med simuleringarna ovan).
Man bör observera att parhelia i dessa försök uppvisar olika färger, något som även förekommer i naturen men inte i lika hög grad då dispertionen är större i glas och plexiglas än i is.
Att visa att man får ett 22° halo i form av en ring är lite mer besvärligt. Problematiken är den samma när det gäller att visa hur regnbågen uppstår och att den är en del av en ring. Ett klassiskt sätt att visa detta beskrevs av David Brewster. Man observerar solen genom en glasplatta som täckts av alun (KAl(SO4)7) kristaller, vilket gör att tre ringar syns. Problemet är dock att få en bra kvalitet på kristallerna, något som är ganska svårt.
För att få fram andra halofenomen krävs att man har ett hexagonalt prisma. Detta är inte vanligt men kan tillverkas i plexiglas.
Att åstadkomma olika tangentbågar är av tekniska skäl svårt då man egentligen behöver rotera i två riktningar samtidigt. Dock är det möjligt att utnyttja den begränsning som Parry orientering innebär, vilket är ett subset av den horisontella orienteringen så man kommer endast att se vissa delar av tangentbågarna, dom så kallade Parry bågarna. I figuren nedan visas en simulering med Parry orientering och 25° solhöjd och ett experiment med plexiglasprismor. I simuleringen har 22° ringen lagts till för att ge en uppfattning om storleken.
Man kan utan problem jämföra dom olika komponenterna mellan experiment och simulering. Man kan även rotera prismat för hand och därigenom identifiera strålgången, som då kan jämföras med de strålgångar som finns i böcker.
För de cirkumzenitala och cirkumhorisontala bågarna går inte dessa att få med glas eller plexiglas då ett krav för att få fram dom är att brytningsindex är mindre än roten ur 2, detta på grund av att vi har en 90° vinkel i processen då ljuset måste gå igenom så väl en sidoyta som en topp/bottenyta. En lösning på detta problemet vore att tillverka en hexagonal behållare med tunna väggar (exempelvis mikroskopglas) och fylla den med vatten, det finns dock gjutformar för ljus i form av hexagoner som kan användas om man limmar på ett lock.
Även om halos inte är ett fenomen som många känner till så uppträder dom ofta och gör att folk hör av sig till exempelvis olika medier när dom är extra tydliga. Detta uppmärksammas ibland i samband med väderprognoserna i tv. Men det går med relativt enkla medel att visa hur dom uppstår och detta kan användas i skolan som ett sätt att visa att fysik inte är så tråkigt. Dessutom kan man föra in ett mer tvärvetenskapligt tänkande, då fenomenet är relaterat till meteorologi. Har man riktigt tur med vädret kan man även gå ut och göra mätningar och kan då även få ett matematiskt perspektiv.
- https://no.wikipedia.org/wiki/%C2%ABV%C3%A4dersolstavlan%C2%BB
- https://en.wikipedia.org/wiki/Lowitz_arc
- R. Greenler, Rainbows, Halos and Glories. Cambridge University Press, 1980, ISBN 0521-38865-1.
- W. Tape, Atmospheric Halos. American Geophysical Society, 1994, ISBN 0-87590-834-9.
- D.K. Lynch and W. Livingstone, Color and Light in Nature. Cambridge University Press, 2001, ISBN 0-521-775043.
- M.G.J. Minnaert, Light and Color in the Outdoors. Springer-Verlag, 1993, ISBN 0-387-97935-2
Web-sidor:
Halosim:
https://halosim.software.informer.com/3.6
Atmospheric Optics, Websida med massa information om halos:
Finnish Halo Observers Network Homepage;