Иногда в морозную погоду гало образуется кристаллами очень близко к земной поверхности. В этом случае кристаллы напоминают сияющие драгоценные камни (т. н. алмазная пыль), а нижняя часть гало может быть видна на фоне окружающего пейзажа, если Солнце находится достаточно низко над горизонтом.
Следует отличать гало от венцов. Последние имеют меньший угловой размер (до 5°) и объясняются дифракционным рассеянием лучей источника света на водяных каплях, образующих облако или туман.
История
В старину разнообразным гало, как и другим небесным явлениям, приписывалось мистическое значение предзнаменований (как правило, дурных, особенно если гало принимало крестообразную форму, которая трактовалась как крест или меч, или появлялись двойники светила), чему известно множество летописных свидетельств[2]. Так в «Слове о полку Игореве» рассказывается, что перед наступлением половцев и пленением Игоря «четыре солнца засияли над русской землей», что было воспринято как знак надвигающейся большой беды.
А в 1551 году после длительной осады войсками императора Карла V немецкого города Магдебурга в небе над городом появилось гало с ложными солнцами. Это вызвало переполох среди осаждавших. Так как гало было воспринято как небесное знамение в защиту осаждённых, то Карл V приказал снять осаду города[3].
В те времена, когда метеорологии не существовало, гало и подобные ему оптические явления использовались для предсказания погоды. Например, русские народные приметы говорят, что появление вокруг луны подобных светлых колец, дуг, пятен, столбов — к дождю, а чувашские — к похолоданию (обычно — зимой).
Крупный вклад в изучение и систематизацию гало внёс голландский астроном Марсел Миннарт.
Техника наблюдения и фотосъёмки
При наблюдении гало необходимо закрывать солнце каким-либо предметом или хотя бы рукой, чтобы не повредить глаза (в большинстве случаев при фотосъёмке также целесообразно закрывать солнце). Желательны тёмные очки, поскольку отдельные элементы гало бывают ослепительно яркими. Любой фотоаппарат снимет гало при любых настройках, но из-за яркости получаются плохо заснятые детали (чаще всего бывают переэкспонированы солнечные столбы и паргелии)[4].
Солнечный столб
Световой, или солнечный, столб — это вертикальная полоса света, тянущаяся от Солнца во время заката или восхода. Явление вызывается шестиугольными плоскими либо столбовидными ледяными кристаллами, ориентированными в воздухе более или менее упорядоченно. Плоские кристаллики могут вызывать солнечные столбы, если Солнце находится не выше 6° над горизонтом, а столбовидные — даже при 20°. Вид светового столба (в частности, ширина) зависит от степени упорядоченности ориентации кристаллов.
Ра́дуга — атмосферное, оптическое и метеорологическое явление, наблюдаемое при освещении Солнцем (иногда Луной) множества водяных капель (дождя или тумана). Радуга выглядит как разноцветная дуга или окружность, составленная изцветов спектра (от внешнего края: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый). Это те семь цветов, которые принято выделять в радуге в русской культуре (возможно, вслед за Ньютоном, см. ниже), но следует иметь в виду, что на самом деле спектр непрерывен, и его цвета плавно переходят друг в друга через множество промежуточных оттенков.
Центр окружности, описываемой радугой, лежит на прямой, проходящей через наблюдателя и Солнце, притом при наблюдении радуги (в отличие от гало) Солнце всегда находится за спиной наблюдателя, и одновременно видеть Солнце и радугу без использования оптических приспособлений невозможно. Для наблюдателя на земле радуга обычно выглядит какдуга, часть окружности, и чем выше точка наблюдения — тем она полнее (с горы или самолёта можно увидеть и полнуюокружность). Когда Солнце поднимается выше 42 градусов над горизонтом, радуга с поверхности Земли не видна[1].
Радуга возникает из-за того, что солнечный свет преломляется и отражается капельками воды (дождя или тумана), парящими в атмосфере. Эти капельки по-разному отклоняют свет разных цветов (показатель преломления воды для более длинноволнового (красного) света меньше, чем для коротковолнового (фиолетового), поэтому слабее всего отклоняется красный свет — на 137°30’, а сильнее всего фиолетовый — на 139°20’). В результате белый свет разлагается в спектр (происходит дисперсия света). Наблюдатель, который стоит спиной к источнику света, видит разноцветное свечение, которое исходит из пространства по концентрическим окружностям (дугам).
Радуга представляет собой каустику, возникающую при преломлении и отражении (внутри капли) плоскопараллельного пучка света на сферической капле. Как показано на рисунке (для пучка монохроматического света), отражённый свет имеет максимальную интенсивность для определённого угла между источником, каплей и наблюдателем (и этот максимум весьма «острый», то есть бо́льшая часть света выходит из капли, развернувшись практически точно на один и тот же угол). Дело в том, что угол, под которым уходит из капли отражённый и преломлённый ею луч, немонотонно зависит от расстояния от падающего (первоначального) луча до оси, параллельной ему и проходящей через центр капли (эта зависимость довольно проста, и её нетрудно явно вычислить), и зависимость эта имеет гладкий экстремум. Поэтому больше всего света капля разворачивает именно на этот угол и близкие к нему. При этом угле (значения которого немного различаются для разных показателей преломления, соответствующих лучам разного цвета) и возникает отражение-преломление максимальной яркости, составляющее (от разных капель) радугу («яркие» лучи от разных капель образуют конус с вершиной в зрачке наблюдателя и осью, проходящей через наблюдателя и Солнце)[2].
Для одного отражения внутри капли такой угол имеет одно значение, для двух — другое, и т. д. Этому соответствует первичная (радуга первого порядка), вторичная (радуга второго порядка) и т. д. радуга. Первичная — самая яркая, она уносит из капли большинство света. Радугу большего порядка обычно не удаётся увидеть, так как она очень слаба.
Схема образования радуги
1) сферическая капля
2) внутреннее отражение
3) первичная радуга
4) преломление
5) вторичная радуга
6) входящий луч света
7) ход лучей при формировании первичной радуги
8) ход лучей при формировании вторичной радуги
9) наблюдатель
10) область формирования первичной радуги
11) область формирования вторичной радуги
12) облако капелек
Чаще всего наблюдается первичная радуга, при которой свет претерпевает одно внутреннее отражение. Ход лучей показан на рисунке справа вверху. В первичной радуге красный цвет находится снаружи дуги, её угловой радиус составляет 40-42°.
Иногда можно увидеть ещё одну, менее яркую радугу вокруг первой. Это вторичная радуга, которая образована светом, отражённым в каплях два раза. Во вторичной радуге «перевёрнутый» порядок цветов — снаружи находится фиолетовый, а внутри красный. Угловой радиус вторичной радуги 50-53°. Небо между двумя радугами обычно заметно более тёмное, эту область называют полосой Александра.
Появление радуги третьего порядка в естественных условиях случается чрезвычайно редко. Считается[3], что за последние 250 лет было только пять научных сообщений о наблюдении данного феномена. В то же время благодаря применению специальных методов фотосъёмки и последующей обработки полученных фотографий удаётся зарегистрировать радуги четвёртого[4], пятого[5] и даже, как предполагается, седьмого[6] порядков.
В лабораторных условиях удаётся получать радуги гораздо более высоких порядков. Так, в статье, опубликованной в 1998 г., утверждалось, что авторам, используя лазерное излучение, удалось получить радугу двухсотого порядка[7].
Свет первичной радуги поляризован на 96 % вдоль направления дуги[8]. Свет вторичной радуги поляризован на 90 %.
В яркую лунную ночь можно наблюдать и радугу от Луны. Поскольку рецепторы человеческого глаза, работающие при слабом освещении, — «палочки» — не воспринимают цвета, лунная радуга выглядит белёсой; чем ярче свет, тем «цветнее» радуга (в её восприятие включаются цветовые рецепторы — «колбочки»).
Явления, ошибочно принимаемые за радугу
Перевёрнутая радуга
При определённых обстоятельствах можно увидеть двойную, перевёрнутую или даже кольцевую радугу. На самом деле это явления другого процесса — преломления света в кристаллах льда, рассеянного в атмосфере, и относятся к гало[11]. Для появления в небе перевернутой радуги (околозенитной дуги, зенитной дуги — одного из видов гало) необходимы специфические погодные условия, характерные для Северного и Южного полюсов. Перевернутая радуга образуется за счет преломления света, проходящего через льдинки тонкой завесы облаков на высоте 7 — 8 тысяч метров. Цвета в такой радуге располагаются тоже наоборот: фиолетовый вверху, а красный — внизу.
Полярное сияние (северное сияние) — свечение (люминесценция) верхних слоёв атмосфер планет, обладающих магнитосферой, вследствие их взаимодействия с заряженными частицами солнечного ветра.
Природа полярных сияний
В очень ограниченном участке верхней атмосферы сияния могут быть вызваны низкоэнергичными заряженными частицами солнечного ветра, попадающими в полярную ионосферу через северный и южный полярные каспы. В северном полушарии каспенные сияния можно наблюдать над Шпицбергеном в околополуденные часы.
При столкновении энергичных частиц плазменного слоя с верхней атмосферой происходит возбуждение атомов и молекул газов, входящих в её состав. Излучение возбуждённых атомов в видимом диапазоне и наблюдается как полярное сияние. Спектры полярных сияний зависят от состава атмосфер планет: так, например, если для Земли наиболее яркими являются линии излучения возбуждённых кислорода и азота в видимом диапазоне, то для Юпитера — линии излучения водорода в ультрафиолете.
Поскольку ионизация заряженными частицами происходит наиболее эффективно в конце пути частицы и плотность атмосферы падает с увеличением высоты в соответствии с барометрической формулой, то высота появлений полярных сияний достаточно сильно зависит от параметров атмосферы планеты, так, для Земли с её достаточно сложным составом атмосферы красное свечение кислорода наблюдается на высотах 200—400 км, а совместное свечение азота и кислорода — на высоте ~110 км. Кроме того, эти факторы обусловливают и форму полярных сияний — размытая верхняя и достаточно резкая нижняя границы.
Полярные сияния Земли
Полярные сияния наблюдаются преимущественно в высоких широтах обоих полушарий в овальных зонах-поясах, окружающих магнитные полюса Земли — авроральных овалах. Диаметр авроральных овалов составляет ~ 3000 км во время спокойного Солнца, на дневной стороне граница зоны отстоит от магнитного полюса на 10—16°, на ночной — 20—23°. Поскольку магнитные полюса Земли отстают от географических на ~12°, полярные сияния наблюдаются в широтах 67—70°, однако во времена солнечной активности авроральный овал расширяется и полярные сияния могут наблюдаться в более низких широтах — на 20—25° южнее или севернее границ их обычного проявления. Например, на острове Стюарт, лежащем лишь на 47° параллели, сияния происходят регулярно. Маори даже назвали его «Пылающие небеса».
В спектре полярных сияний Земли наиболее интенсивно излучение основных компонентов атмосферы — азота и кислорода, при этом наблюдаются их линии излучения как в атомарном, так и молекулярном (нейтральные молекулы и молекулярные ионы) состоянии. Самыми интенсивными являются линии излучения атомарного кислорода и ионизированных молекул азота.
Свечение кислорода обусловлено излучением возбужденных атомов в метастабильных состояниях с длинами волн 557,7 нм (зелёная линия, время жизни 0,74 с) и дублетом 630 и 636,4 нм (красная область, время жизни 110 с). Вследствие этого красный дублет излучается на высотах 150—400 км, где вследствие высокой разреженности атмосферы низка скорость гашения возбужденных состояний при столкновениях. Ионизированные молекулы азота излучают при 391,4 нм (ближний ультрафиолет) 427,8 нм (фиолетовый) и 522,8 нм (зелёный). Однако, каждое явление обладает своей неповторимой гаммой, в силу непостоянства химического состава атмосферы и погодных факторов.
Спектр полярных сияний меняется с высотой. В зависимости от преобладающих в спектре полярного сияния линий излучения полярные сияния делятся на два типа: высотные полярные сияния типа A с преобладанием атомарных линий и полярные сияния типа B на относительно небольших высотах (80—90 км) с преобладанием молекулярных линий в спектре вследствие столкновительного гашения атомарных возбужденных состояний в сравнительно плотной атмосфере на этих высотах.
Полярные сияния весной и осенью возникают заметно чаще, чем зимой и летом. Пик частотности приходится на периоды, ближайшие к весеннему и осеннему равноденствиям. Во время полярного сияния за короткое время выделяется огромное количество энергии. Так, за одно из зарегистрированных в 2007 году возмущений выделилось 5·1014 джоулей, примерно столько же, сколько во время землетрясения магнитудой 5,5.
При наблюдении с поверхности Земли полярное сияние проявляется в виде общего быстро меняющегося свечения неба или движущихся лучей, полос, корон, «занавесей». Длительность полярных сияний составляет от десятков минут до нескольких суток.
Считалось, что полярные сияния в северном и южном полушарии являются симметричными. Однако одновременное наблюдение полярного сияния в мае 2001 из космоса со стороны северного и южного полюсов показало, что северное и южное сияние существенно отличаются друг от друга[1].
Искусственно созданные
Полярные сияния можно создать искусственно и затем изучать. Этому был посвящён, например, советско-французский эксперимент АРАКС, проведённый в 1975 году.