Halo's

Je hebt ze ooit al eens opgemerkt: kleurrijke bogen en lichtvlekken aan de hemel. Ze maken deel uit van de wondere wereld van de atmosferische optische verschijnselen.

Diverse optische verschijnselen worden zichtbaar doordat het zon- of maanlicht op verscheidene oppervlakten wordt gebroken, gebogen of teruggekaatst. Dit gebeurt voornamelijk op ijskristallen en waterdruppels in de lucht, maar ook stof in de atmosfeer kan licht verstrooien (zoals stof van meteoren, stuifmeel, luchtverontreiniging of vulkaanstof). Wij beperken ons hier tot ijskristallen en waterdruppels.

Breking, buiging, reflectie

Breking, reflectie en buiging van een lichtstraal aan een kristal.

Breking en kleurschifting

In dit proces valt het witte zonlicht (samengesteld uit alle kleuren van de regenboog) in op een ijskristal. Het licht wordt gebroken omdat de lichtstraal in een ander medium terecht komt (van lucht in ijs), en beide stoffen hebben een verschillende optische dichtheid. Wanneer de lichtstraal het ijskristal opnieuw verlaat, komt hij weer in lucht terecht, waardoor er opnieuw breking zal optreden.

Reflectie (weerkaatsing)

IJskristallen kunnen het licht ook inwendig gaan weerkaatsen zonder dat er kleurschifting plaatsvindt.

Buiging

Het licht kan ook gebogen worden langs de randen van kleine druppeltjes of kristallen. Ook hier vindt kleurschifting plaats.

Haloverschijnselen door ijskristallen

IJs vormt zeshoekige kristallen. Deze ijskristallen kunnen voorkomen in de vorm van naaldjes, plaatjes of een samengestelde vorm hiervan.

IJskristallen structuur

De verschillende vormen van ijskristallen.


De ijskristallen kunnen keurig geordend zijn, of chaotisch door elkaar liggen. Ze kunnen stil door de lucht drijven, of ze kunnen bewegen en ronddraaien. Afhankelijk van de brekingshoek en de stand van het kristal krijgen we een andere halo. Dit wordt aangegeven in onderstaande tabel.

  Brekende hoek
  60° 90° andere
Hoofdas willekeurig kleine kring (22°) grote kring (46°) kring met ongewone straal

Hoofdas verticaal (plaatjes)

- brekende ribbe verticaal

- brekende ribbe horizontaal 

bijzonnen op 22°

/

/

/

circumzenitale boog

circumhorizontale boog

raakbogen met ongewone straal

Hoofdas horizontaal (naaldjes)

- brekende ribbe horizontaal

- brekende ribbe wentelend

 

boog van Parry

bovenraakboog, benedenraakboog, omhullende halo

 

/

/

raakbogen met ongewone straal
Hoofdas wentelend /

infralaterale boog op 46°

supralaterale boog op 46°

 

 Zichtbare halo naargelang de aanwezige kristallen, hun oriëntatie en de brekende hoek.

Op onze breedte vinden we ijskristalletjes terug in hoge wolken in de troposfeer, zoals bij voorbeeld cirrus-, cirrostratus- en cirrocumuluswolken. In de zomer kunnen ze zich ook ontwikkelen op de hoge toppen van donderwolken (cumulonimbus).

Halo wolken

Cirrus-, cirrostratus-, cirrocumulus- en cumulonimbuswolken.

Om halo's te zien zijn volgende eigenschappen belangrijk:

  • de zonshoogte;
  • de aanwezige ijskristallen;
  • de stand van de ijskristallen in de lucht;
  • de aard van de optische werking (reflectie, breking, buiging of herhaaldelijke terugkaatsing).

Optische verschijnselen

De meest voorkomende halo's veroorzaakt door ijskristallen. De zwakker getekende halo's zijn minder frequent.

Kleine kring

Halo kleine kring

De kleine kring is de meest voorkomende halo. Dit komt omdat de verantwoordelijke zeszijdig naaldvormige ijskristalletjes willekeurig georiënteerd mogen zijn. Hierdoor wordt het licht langs alle kanten gebroken en verlaat het het kristal onder een minimale deviatie van 22°. Vandaar dat deze kring voor onze ogen zichtbaar wordt op een hoek van 22° van de lichtbron. Soms is de boven- en onderkant van deze kring toch ietwat helderder en kleurrijker dan de rest van de kring. Een verklaring hiervoor moeten we zoeken in de atmosferische toestand. Om de kleine kring te kunnen zien, hoef je immers geen rustige atmosfeer te hebben (wat voor een heel pak halo's wel het geval is). Is dat wel het geval dan hebben deze naaldvormige ijskristalletjes toch de neiging om hun hoofdas horizontaal te leggen (denk aan een vallend grassprietje). Hierdoor zullen er meer zonnestralen gebroken worden langs de bovenkant en onderkant van het kristal. Merk ook op hoe de hemel binnen de kleine kring er dikwijls donkerder uitziet dan daarbuiten.

Bijzonnen

Halo bijzonDeze soms oogverblindende vlekken aan weerszijden van de zon zijn het resultaat van lichtbreking in zeshoekige platte en horizontaal georiënteerde ijskristalletjes. Je leest het al: er zijn al iets meer voorwaarden om deze halo's te zien in vergelijking met de kleine kring.

Opdat de kristallen zich horizontaal zouden leggen is een vrij rustige atmosfeer nodig. Het gebroken licht verlaat de kristallen langs de zijvlakken van het kristal. Omdat er soms zoveel zonlicht op éénzelfde plaats gebroken wordt, kunnen deze bijzonnen soms erg fel worden. In sommige gevallen worden deze ook vergezeld door een horizontale witte staart.

Hun uitzicht en afstand tot de zon wijzigt naargelang de zonshoogte.

Circumzenitale boog / circumhorizontale boog

Halo circumzenitale boogAls er felle bijzonnen zijn, moet je ook eens op zoek gaan naar deze erg fraaie en kleurrijke boog hoog aan de hemel, want het gaat hier om hetzelfde type ijskristalletjes. Het zonlicht valt hier echter wel in op de boven- en onderkant van het kristal en verlaat deze langs de zijvlakken. Het resultaat is een kleurrijke boog, een beetje als een regenboog, 46° hoger gelegen dan de zon.

Ze verandert van uitzicht naargelang de zonshoogte. In de zomer, als de zon op haar hoogst staat, kan je dan ook soms een fragment zien van de "circumhorizontale boog". Dit is net hetzelfde, maar dan 46° onder de zon gelegen.

Raakbogen (omhullende halo, supralaterale boog, infralaterale boog)

Halo raakboogDezelfde naaldvormige ijskristalletjes die de kleine kring veroorzaken kunnen het ontstaan van raakbogen verklaren. De kleine kring wordt gevormd wanneer de ijskristalletjes een willekeurige oriëntatie aannemen, maar als het merendeel van de naaldjes in een welbepaalde richting liggen (horizontaal), dan kunnen we een raakboog te zien krijgen. Deze bogen, die soms ook heel fel kunnen worden, kan je vinden respectievelijk bovenaan en/of onderaan de kleine kring. Ze raken dan ook de kleine kring. Hun uitzicht verschilt ook naargelang de zonshoogte. Als de zon hoger dan 32° boven de horizon staat, gaan zij over in wat men de "omhullende halo" noemt. Dit is niets anders dan dat beide raakbogen elkaar raken én de kleine kring gaan omhullen. Je ziet dan als het ware de kleine kring omhuld door een asymmetrische ellipsvormige kring. Deze situatie is echter vrij zeldzaam. Meestal zie je maar een fragment hiervan. De omhullende halo is vaak ook kleurrijker dan de kleine kring.

Hiernaast zijn er ook nog de raakbogen van de grote kring. Ook hier zijn horizontaal georiënteerde ijsnaaldjes verantwoordelijk, maar in dit geval verlaten de lichtstralen het ijskristal onder een minimale deviatiehoek van 46°. Hierdoor kunnen we dus een optisch verschijnsel waarnemen op 46° afstand van de zon. Geen ordinaire grote kring, want de ijskristalletjes liggen allemaal met hun hoofdas horizontaal, zodat het zonlicht enkel naar boven of onder wordt omgeleid. We kunnen dus hier spreken van de supralaterale of infralaterale boog. Anders verwoord: de bovenraakboog en de benedenraakboog van de kleine kring. Ze komen frequenter voor en zijn kleurrijker dan de grote kring zelve, maar worden soms met de grote kring verward.

Parhelische kring / 120° bijzonnen

Halo parahelische kringNog zeldzamer is deze melkwitte boog die verschijnt op dezelfde hoogte als de zon. Wit, want hier doet zich immers geen kleurschifting voor: het gaat hier om een geval van reflectie van het zonlicht op miljarden horizontaal georiënteerde plaatjes of naaldjes met een horizontaal georiënteerde hoofdas. Denk maar aan het effect van een spiegel.

Het stuk van de parhelische kring het dichtst bij de zon is het helderst, wanneer er veel externe reflecties zijn. Verder weg van de zon zorgen interne reflecties er dan voor dat de parhelische kring helder wordt. Meestal zien we maar een fragment van deze kring, maar zeer zelden is zij volledig (360° in het rond). Als je deze kring ziet, kijk dan ook eens op 120° ten westen en/of ten oosten van de zon naar het eventueel aanwezig zijn van de 120° bijzonnen. Ook deze maken deel uit van de parhelische kring. Deze witte bijzonnen zijn het resultaat van meervoudige interne reflecties binnenin deze kristalletjes. Recht tegenover van de zon kan je bij een volledige parhelische kring ook nog enkele exotische en uiterst zeldzame halo's aantreffen.

Zuil

Halo zuilEnkele minuten tot een uur voor een zonsopgang of na de zonsondergang kan je een vertikale, soms indrukwekkende lichtzuil waarnemen. Meestal verschijnt hij boven de zon, met dezelfde breedte en kleur als de zon. Ook deze is het resultaat van reflecties. De lichtstralen vallen horizontaal op de ijskristalletjes die iets schuin gesteld staan. Hoe meer gelijkaardig georiënteerde ijskristalletjes, des te feller de zuil zal zijn. Aangezien dit een reflectieverschijnsel is, treedt hierbij geen kleurschifting op en heeft de zuil gewoon de kleur van de zon op dat moment.

 

Optische verschijnselen door waterdruppels

Regenboog

RegenboogRegenbogen zjn het resultaat van lichtbreking in waterdruppels. Wanneer het licht van de zon door druppeltjes water valt, wordt een deel van het licht in de druppel weerkaatst en teruggestraald. Hierdoor treedt kleurschifting op, waardoor het witte licht ontbonden wordt en aldus de spectrumkleuren zichtbaar worden.

Ontstaan van een regenboog

Regenbogen zijn altijd te vinden tegenover de zon. Het zijn cirkelsegmenten rondom het antisolaire punt. De druppelgrootte is een bepalende factor: hoe groter de druppel, des te intenser de kleurscheiding en des te feller de regenboog zal zijn. Vaak gaat de hoofdboog ook gepaard met een tweede, secundaire boog die een omgekeerde kleurenvolgorde heeft. De band tussen deze twee noemt met "de donkere band van Alexander". Langs de binnenzijde kan je ook nog enkele "overtallige" of "interferentiebogen" aantreffen.

Niet enkel de zon, maar ook de maan kan regenbogen veroorzaken!

 

Corona's

Halo coronaLicht kan ook gebogen worden langs de randen van het waterdruppeltje. Ook bij dit proces vindt kleursc
heiding plaats, waardoor er een mooie krans of corona omheen de maan of zon kan ontstaan. In wolken waarin de druppeltjes van gelijke grote zijn, zijn de kransen goed gevormd en zijn de kleuren zuiver. In wolken waarin druppeltjes van allerlei groottes voorkomen, ontstaan er tegelijkertijd kransen van verschillende grootte, die elkaar overdekken. Ook de volgorde van de kleuren hangt af van de grootte van de druppeltjes en de dikte van de wolk.

 

Iriserende wolken

Iriserende wolkenOok hier is het proces "lichtbuiging op waterdruppels" de oorzaak. Deze kleurschakeringen spelen zich voornamelijk af op cirrocumuli en altocumuli wolken. Ze zijn onregelmatig verdeeld en kunnen verscheidene felle kleurschakeringen vertonen (purper, groen,..). Ze verschijnen meestal in de nabije omgeving van de zon. Op afstanden van 3-10° zijn irisaties op hun mooist. Sporadisch kunnen deze soms waargenomen worden tot op 50° van de zon. Iriserende wolken om de maan zijn erg zeldzaam. Verwar ze echter niet met parelmoerwolken.

 

Glorie

Glorie

Glorie ontstaat in het punt tegenover de zon, het antisolaire punt. Dit optisch verschijnsel is het resultaat van terugverstrooiing van licht op waterdruppeltjes. Dit wordt vaak vanuit het vliegtuig waargenomen. Deze krans van gekleurde ringen omringt dan de schaduw van het vliegtuig op een egaal wolkendek. De grootte van de waterdruppeltjes bepaalt ook de grootte van de glorie. Dikwijls ziet men om dit alles heen nog een zwakkere witte boog, ook wel de cercle d'Ulloa of wolkenboog genaamd. Dit is in feite het equivalent van de regenboog, maar dan in zeer kleine wolkendruppeltjes optredend, waarbij de regenboogkleuren zo goed als onzichtbaar zijn. Ook op de grond kan je getuige worden van de glorie. Bij lage zon, als je je op een heuvel of een bergtop bevindt, kan je eigen schaduw zich gaan aftekenen op een mistlaag, omgeven door een gloriekrans van levendige kleuren.

Heiligenschijn

HeiligenschijnOok dit verschijnsel is waarneembaar bij lage zonnestand en moeten we gaan zoeken rond het antisolaire punt. Ook hier ligt het terugverstrooiingsproces aan de basis. Als je schaduw zich afwerpt op bedauwd gras, bemerk je naast en vooral boven je schaduw een witte lichtaureool.

 

 

Verwante links

Algemeen

http://www.ursa.fi/ursa/jaostot/halot/english.html
http://www.atoptics.co.uk/
http://www.meteoros.de/halo.htm
http://www.weather-photography.com/index.php
http://www.weltderwolken.de/

Halosimulatie

http://www.atoptics.co.uk/halo/downld.htm
http://www.meteoros.de/halsim/simulat.htm

Aanbevolen literatuur

Tape W.R., "Atmospheric Halos", American Geophysical Union, Washington D.C. (1994).
Greenler R.G., "Rainbows, Haloes, and Glories", Cambridge University Press, Cambridge (1980).
Minnaert M., "Natuurkunde van het vrije veld" (1954).

Is er iets onduidelijk? Heb je een fout gevonden? Mail ons!