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Thema des Tages
Halo
Nein, keine Angst, Sie haben nicht die Rechtschreibreform für eine
geläufige Begrüßung verpasst und es soll hier auch nicht um die
Rezension eines Computerspiels gehen. Bei einem Halo handelt es sich
um einen Sammelbegriff für Lichteffekte in der atmosphärischen Optik.
Immer mal wieder erreichen uns per Mail Anfragen, was denn auf dem
angehängten Foto zu sehen sei und manchmal kann man darauf einen Halo
erkennen. Daher soll an dieser Stelle ein kurzer Abriss über Halos,
ihre Entstehung und einige physikalische Grundlagen gegeben werden.
Das Wort "Halo" stammt aus dem Griechischen (halos) und heißt so viel
wie Scheibe. Es bezeichnet eine Gruppe optischer Erscheinungen von
Ringen, Bögen, Flecken oder Säulen, die durch Reflexion und Brechung
von Licht an Eiskristallen entstehen. Welche Erscheinung an welcher
Stelle des Himmels auftritt, hängt von der Größe und Orientierung
sowie vom Winkel, unter dem das Sonnenlicht auf die Kristalle trifft,
ab.
Halos entstehen häufig an Eiskristallen, wie sie in Cirrus- oder
Cirrostratuswolken in einer Höhe von 8 bis 12 km vorkommen. Diese
Wolken sind meist sehr zart und häufig schimmert der blaue Himmel
durch sie hindurch. Manchmal kann man sogar das Gefühl haben, dass
die Bewölkung nahezu fehlt. Halos können das ganze Jahr über
beobachtet werden, denn in Höhen, in denen Cirren vorkommen, ist es
immer sehr kalt. Im Winter können sich Halos zusätzlich bei Eisnebel,
in der Nähe von Schneekanonen oder im Polarschnee (Entstehung von
Eisnadeln aus dem Wasserdampf der unteren Luftschichten) bilden.
Wasser kristallisiert beim Übergang in die feste Phase im sogenannten
hexagonalen Kristallsystem. So entstehen dünne sechseckige Plättchen
und kleine sechseckige Säulen, die glatte und rechtwinklig
abgeschnittene Grundflächen besitzen. Deren Regelmäßigkeit wird durch
ein langsames Kristallwachstum verursacht.
Sind die Eiskristalle nur klein, können sie lange in der Luft
schweben, ohne eine bestimmte Orientierung zu haben. Werden sie
jedoch größer, erreichen sie eine gewisse Sinkgeschwindigkeit. Dabei
nehmen sie eine stabile Lage ein, da sich auf der der Fallrichtung
abgewandten Seite symmetrische Wirbel bilden. Ohne äußere
Einwirkungen liegen die sechseckigen Platten dann horizontal, genauso
wie auch die Längsachse der Säulen. Turbulenzen in der Atmosphäre
verhindern aber oft diese Orientierung.
Tritt nun das Sonnenlicht in die Eiskristalle ein, so wird es dabei
gebrochen und tritt in Abhängigkeit vom Einfallswinkel und der
Orientierung der Kristalle nach Reflexion im Inneren der Kristalle
wieder aus, wobei es ein weiteres Mal gebrochen wird. Bei der
Brechung kommt es zur Aufspaltung des Lichts in seine Spektralfarben,
weshalb beispielsweise der innere Rand eines 22°-Rings (siehe unten)
häufig rötlich erscheint.
Je nach Orientierung und je nach Weg des Lichtes im Kristall
entstehen verschiedene Haloerscheinungen:
Willkürlich orientierte Kristalle erzeugen nur zwei Haloarten: Den
22°- und den 46°-Ring.
Bei der Entstehung des 22°-Rings passieren Lichtstrahlen zwei um 60°
zueinander gekippten Oberflächen der Eiskristalle. In Abhängigkeit
von seiner Wellenlänge besitzt sichtbares Licht am hexagonalen Prisma
ein Minimum der Ablenkung zwischen 21,7° (rot bei 656 nm) und 22,5°
(violett bei 400 nm). In kleineren Winkeln wird zwar auch Licht
gebrochen, jedoch liegt dieses nicht im sichtbaren Bereich. Dadurch
entsteht der Eindruck eines "leeren Raumes" zwischen Sonne und Halo.
Die meisten Lichtstrahlen, die der Beobachter mit seinem Auge
erfassen kann, werden nahe beim Minimum der Ablenkung gebrochen.
Dadurch nimmt man einen helleren inneren Rand wahr.
Ein Foto von einem 22°-Ring um die Sonne, das ich am 1. Juli 2010 am
Institut für Meteorologie in Leipzig gemacht habe, können Sie sich
ansehen, wenn Sie auf der Startseite des DWD rechts unter der Rubrik
"Thema des Tages" auf [mehr] klicken.
Der 46°-Ring entsteht ähnlich wie der 22°-Ring, nur führt hier der
Strahlengang durch zwei rechtwinklig zueinander stehende Flächen des
hexagonalen Prismas, also des Eiskristalls. Das ist der Fall, wenn
der Lichtstrahl eine Seitenfläche und die Ober- oder Unterseite des
Kristalls durchläuft. Bei diesem Strahlengang liegt das Minimum der
Ablenkung bei 46°. Daher ist dieser Ring genau dort am hellsten.
Dieser Ring lässt sich allerdings deutlich seltener beobachten als
der 22°-Ring.
Neben diesen beiden Erscheinungen gibt es noch eine Vielzahl von
weiteren Haloerscheinungen, die durch orientierte Eiskristalle
entstehen. Als wichtigste seien hier Nebensonnen, Zirkumzenitalbogen,
obere und untere Lichtsäule und Supralateralbogen genannt. Auf deren
Erklärung sei an dieser Stelle aber ebenso verzichtet wie auf die
Erwähnung weiterer, seltener auftretender Haloarten.
Sind gleichzeitig mehrere verschieden geformte und ausgerichtete
Eiskristalle vorhanden, können auch unterschiedliche Haloeffekte
zusammen auftreten. Im Übrigen können auch Straßenlaternen und der
Mond Haloerscheinungen hervorrufen. Diese sind allerdings
entsprechend lichtschwächer.
Tipp: Wenn Sie sich Ihren eigenen Halo am PC mal selber simulieren
wollen, so gibt es auf der Website
http://www.atoptics.co.uk/halo/halfeat.htm das Programm HaloSim 3 von
Les Cowley und Michael Schroeder kostenlos zum Download.
M.Sc. Met. Stefan Bach
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 28.09.2013
Copyright (c) Deutscher Wetterdienst
Diesen Artikel und das Archiv der "Themen des Tages"
finden Sie unter www.dwd.de/tagesthema
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Halo
Nein, keine Angst, Sie haben nicht die Rechtschreibreform für eine
geläufige Begrüßung verpasst und es soll hier auch nicht um die
Rezension eines Computerspiels gehen. Bei einem Halo handelt es sich
um einen Sammelbegriff für Lichteffekte in der atmosphärischen Optik.
Immer mal wieder erreichen uns per Mail Anfragen, was denn auf dem
angehängten Foto zu sehen sei und manchmal kann man darauf einen Halo
erkennen. Daher soll an dieser Stelle ein kurzer Abriss über Halos,
ihre Entstehung und einige physikalische Grundlagen gegeben werden.
Das Wort "Halo" stammt aus dem Griechischen (halos) und heißt so viel
wie Scheibe. Es bezeichnet eine Gruppe optischer Erscheinungen von
Ringen, Bögen, Flecken oder Säulen, die durch Reflexion und Brechung
von Licht an Eiskristallen entstehen. Welche Erscheinung an welcher
Stelle des Himmels auftritt, hängt von der Größe und Orientierung
sowie vom Winkel, unter dem das Sonnenlicht auf die Kristalle trifft,
ab.
Halos entstehen häufig an Eiskristallen, wie sie in Cirrus- oder
Cirrostratuswolken in einer Höhe von 8 bis 12 km vorkommen. Diese
Wolken sind meist sehr zart und häufig schimmert der blaue Himmel
durch sie hindurch. Manchmal kann man sogar das Gefühl haben, dass
die Bewölkung nahezu fehlt. Halos können das ganze Jahr über
beobachtet werden, denn in Höhen, in denen Cirren vorkommen, ist es
immer sehr kalt. Im Winter können sich Halos zusätzlich bei Eisnebel,
in der Nähe von Schneekanonen oder im Polarschnee (Entstehung von
Eisnadeln aus dem Wasserdampf der unteren Luftschichten) bilden.
Wasser kristallisiert beim Übergang in die feste Phase im sogenannten
hexagonalen Kristallsystem. So entstehen dünne sechseckige Plättchen
und kleine sechseckige Säulen, die glatte und rechtwinklig
abgeschnittene Grundflächen besitzen. Deren Regelmäßigkeit wird durch
ein langsames Kristallwachstum verursacht.
Sind die Eiskristalle nur klein, können sie lange in der Luft
schweben, ohne eine bestimmte Orientierung zu haben. Werden sie
jedoch größer, erreichen sie eine gewisse Sinkgeschwindigkeit. Dabei
nehmen sie eine stabile Lage ein, da sich auf der der Fallrichtung
abgewandten Seite symmetrische Wirbel bilden. Ohne äußere
Einwirkungen liegen die sechseckigen Platten dann horizontal, genauso
wie auch die Längsachse der Säulen. Turbulenzen in der Atmosphäre
verhindern aber oft diese Orientierung.
Tritt nun das Sonnenlicht in die Eiskristalle ein, so wird es dabei
gebrochen und tritt in Abhängigkeit vom Einfallswinkel und der
Orientierung der Kristalle nach Reflexion im Inneren der Kristalle
wieder aus, wobei es ein weiteres Mal gebrochen wird. Bei der
Brechung kommt es zur Aufspaltung des Lichts in seine Spektralfarben,
weshalb beispielsweise der innere Rand eines 22°-Rings (siehe unten)
häufig rötlich erscheint.
Je nach Orientierung und je nach Weg des Lichtes im Kristall
entstehen verschiedene Haloerscheinungen:
Willkürlich orientierte Kristalle erzeugen nur zwei Haloarten: Den
22°- und den 46°-Ring.
Bei der Entstehung des 22°-Rings passieren Lichtstrahlen zwei um 60°
zueinander gekippten Oberflächen der Eiskristalle. In Abhängigkeit
von seiner Wellenlänge besitzt sichtbares Licht am hexagonalen Prisma
ein Minimum der Ablenkung zwischen 21,7° (rot bei 656 nm) und 22,5°
(violett bei 400 nm). In kleineren Winkeln wird zwar auch Licht
gebrochen, jedoch liegt dieses nicht im sichtbaren Bereich. Dadurch
entsteht der Eindruck eines "leeren Raumes" zwischen Sonne und Halo.
Die meisten Lichtstrahlen, die der Beobachter mit seinem Auge
erfassen kann, werden nahe beim Minimum der Ablenkung gebrochen.
Dadurch nimmt man einen helleren inneren Rand wahr.
Ein Foto von einem 22°-Ring um die Sonne, das ich am 1. Juli 2010 am
Institut für Meteorologie in Leipzig gemacht habe, können Sie sich
ansehen, wenn Sie auf der Startseite des DWD rechts unter der Rubrik
"Thema des Tages" auf [mehr] klicken.
Der 46°-Ring entsteht ähnlich wie der 22°-Ring, nur führt hier der
Strahlengang durch zwei rechtwinklig zueinander stehende Flächen des
hexagonalen Prismas, also des Eiskristalls. Das ist der Fall, wenn
der Lichtstrahl eine Seitenfläche und die Ober- oder Unterseite des
Kristalls durchläuft. Bei diesem Strahlengang liegt das Minimum der
Ablenkung bei 46°. Daher ist dieser Ring genau dort am hellsten.
Dieser Ring lässt sich allerdings deutlich seltener beobachten als
der 22°-Ring.
Neben diesen beiden Erscheinungen gibt es noch eine Vielzahl von
weiteren Haloerscheinungen, die durch orientierte Eiskristalle
entstehen. Als wichtigste seien hier Nebensonnen, Zirkumzenitalbogen,
obere und untere Lichtsäule und Supralateralbogen genannt. Auf deren
Erklärung sei an dieser Stelle aber ebenso verzichtet wie auf die
Erwähnung weiterer, seltener auftretender Haloarten.
Sind gleichzeitig mehrere verschieden geformte und ausgerichtete
Eiskristalle vorhanden, können auch unterschiedliche Haloeffekte
zusammen auftreten. Im Übrigen können auch Straßenlaternen und der
Mond Haloerscheinungen hervorrufen. Diese sind allerdings
entsprechend lichtschwächer.
Tipp: Wenn Sie sich Ihren eigenen Halo am PC mal selber simulieren
wollen, so gibt es auf der Website
http://www.atoptics.co.uk/halo/halfeat.htm das Programm HaloSim 3 von
Les Cowley und Michael Schroeder kostenlos zum Download.
M.Sc. Met. Stefan Bach
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 28.09.2013
Copyright (c) Deutscher Wetterdienst
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