Halo (optický jev) - Halo (optical phenomenon)

Pro další použití viz Halo (disambiguation).
A 22 ° halo kolem Slunce, jak je vidět na obloze nad základním táborem Annapurna, Annapurna, Nepál
Od shora dolů:
A cirkumzenitální oblouk, supralaterální oblouk, Parryho oblouk, oblouk horní tečny, a 22 ° halo

Svatozář (z řecký ἅλως, halós[1]) je název pro rodinu optické jevy produkováno světlem (obvykle ze Slunce nebo Měsíce), s nímž interaguje ledové krystaly pozastaveno v atmosféra. Halo může mít mnoho podob, od barevných nebo bílých prstenů až po oblouky a skvrny na obloze. Mnoho z nich se objevuje poblíž slunce nebo Měsíc, ale jiné se vyskytují jinde nebo dokonce v opačné části oblohy. Mezi nejznámější typy halo patří kruhová halo (správně nazývané 22 ° halo ), světelné sloupy, a sluneční psi, ale vyskytuje se mnoho dalších; některé jsou poměrně běžné, zatímco jiné jsou (extrémně) vzácné.

The ledové krystaly odpovědné za halo jsou obvykle pozastaveny v cirrus nebo cirrostratus mraky v horní části troposféra (5–10 km (3,1–6,2 mil)), ale za chladného počasí mohou plavat také blízko země, v takovém případě jsou označovány jako diamantový prach. Konkrétní tvar a orientace krystalů jsou zodpovědné za pozorovaný typ halo. Světlo je odráží a lomený podle ledové krystaly a může se rozdělit na barvy kvůli disperze. Krystaly se chovají jako hranoly a zrcadla, lámání a odrážení světla mezi jejich tvářemi, vysílání paprsků světla v určitých směrech.Atmosférické optické jevy jako halo byly použity jako součást povědomí o počasí, což byla empirický prostředky předpověď počasí před meteorologie bylo vyvinuto. Často naznačují, že déšť spadne během následujících 24 hodin, protože mraky cirrostratus, které je způsobují, mohou znamenat blížící se frontální systém.

Mezi další běžné typy optických jevů zahrnujících spíše kapičky vody než ledové krystaly patří sláva a duha.

Dějiny

Zatímco Aristoteles zmínil halo a parhelii, ve starověku byly prvními evropskými popisy komplexních displejů ty Christoph Scheiner v Římě (kolem roku 1630), Hevelius v Danzigu (1661), a Tobias Lowitz v Petrohradě (asi 1794). Čínští pozorovatelé je zaznamenávali po staletí, přičemž první zmínka byla částí „Oficiální historie dynastie Chin“ (Chin Shu) v roce 637, na „Deseti svatozářích“, což dává technické výrazy pro 26 jevů slunečního svitu.[2]

Vädersolstavlan

Tzv. „Malování slunečním psem“ (Vädersolstavlan) zobrazující Stockholm v roce 1535 a nebeský jev v té době interpretován jako zlověstná předzvěst

I když je většinou známý a často citován jako nejstarší barevné vyobrazení města Stockholm, Vädersolstavlan (švédský; „Sundog Painting“, doslovně „The Weather Sun Painting“) je pravděpodobně také jedním z nejstarších známých vyobrazení halo displeje, včetně dvojice sluneční psi. Po dvě hodiny ráno 20. dubna 1535 byla obloha nad městem plná bílých kruhů a oblouků procházejících oblohou, zatímco kolem Slunce se objevovaly další slunce (tj. Sluneční psi).

Světelný sloup

Hlavní článek: Světelný sloup

Světelný sloup nebo sluneční sloup se jeví jako svislý sloup nebo sloup světla vycházející ze slunce poblíž západu nebo východu slunce, i když se může objevit pod sluncem, zvláště pokud je pozorovatel ve vysoké nadmořské výšce nebo nadmořské výšce. Tento jev způsobují hexagonální krystaly ledu ve tvaru desky a sloupce. Deskové krystaly obecně způsobují sloupy pouze tehdy, když je slunce v rozmezí 6 stupňů od obzoru; sloupcové krystaly mohou způsobit sloup, když je slunce až 20 stupňů nad obzorem. Krystaly mají tendenci se při pádu nebo vznášení vzduchem orientovat téměř vodorovně a šířka a viditelnost slunečního sloupu závisí na vyrovnání krystalů.

Světelné sloupy se mohou tvořit také kolem měsíce a kolem pouličních světel nebo jiných jasných světel. Sloupy tvořící se ze pozemních světelných zdrojů se mohou zdát mnohem vyšší než sloupy spojené se sluncem nebo měsícem. Vzhledem k tomu, že pozorovatel je blíže ke zdroji světla, při tvorbě těchto sloupů záleží na orientaci krystalů méně.

Kruhová halo

Další informace: 22 ° halo a 46 ° halo
Ledové krystaly (pouze čtyři výše) tvoří 22 ° halo, přičemž červené a modré světlo se láme v mírně odlišných úhlech.

Mezi nejznámější svatozáře patří 22 ° halo, často jen nazývaný „halo“, který se jeví jako velký prstenec kolem Slunce nebo Měsíce s poloměrem asi 22 ° (zhruba na šířku natažené ruky na délku paže). Ledové krystaly, které způsobují 22 ° halo, jsou v atmosféře orientovány semi-náhodně, na rozdíl od horizontální orientace požadované pro některé další halo, jako je sluneční psi a světelné sloupy. V důsledku použitých optických vlastností ledových krystalů se žádné světlo neodráží směrem dovnitř prstence, takže obloha je znatelně tmavší než obloha kolem ní a působí dojmem „díry na obloze“.[3] 22 ° halo nelze zaměňovat s koróna, což je odlišný optický jev způsobený spíše kapičkami vody než ledovými krystaly a který má spíše vzhled vícebarevného disku než prstence.

Další halo může vznikat na 46 ° ke slunci nebo na obzoru nebo kolem zenitu, a mohou se jevit jako plné svatozáře nebo neúplné oblouky.

Bottlingerův prsten

A Bottlingerův prsten je vzácný typ halo, který je eliptický místo kruhového. Má malý průměr, takže je velmi obtížné jej vidět v oslnění Slunce a je pravděpodobnější, že bude spatřen kolem stmívače Subsun, často viditelné z vrcholů hor nebo letadel. Bottlingerovy prsteny dosud nejsou dobře známy. Navrhuje se, aby byly tvořeny velmi plochými pyramidový ledové krystaly s tvářemi v neobvykle nízkých úhlech, zavěšenými vodorovně v atmosféře. Tyto přesné a fyzicky problematické požadavky by vysvětlovaly, proč je halo velmi vzácné.[4]

Ostatní jména

V Anglo-Cornish dialektem angličtiny se halo kolem slunce nebo měsíce nazývá a kohoutí oko a je žeton špatného počasí. Termín souvisí s Breton slovo kog-heol (sluneční kohout), který má stejný význam.[5] v Nepál se nazývá halo kolem Slunce Indrasabha s konotací shromáždění soudu v Lord Indra - Hinduistický bůh blesků, hromů a deště.[6]

Umělé svatozáře

Přírodní jevy lze reprodukovat uměle několika způsoby. Nejprve pomocí počítačových simulací,[7][8] nebo zadruhé experimentálními prostředky. Pokud jde o druhé, jeden může buď vzít jeden krystal a otočit ho kolem příslušné osy / os, nebo zvolit chemický přístup. Ještě dalším a nepřímým experimentálním přístupem je nalezení analogických geometrií lomu.

Analogický přístup k lomu

Analogický lomový demonstrační experiment pro Circumzenithal Arc.[9] Zde je v knize Gilberts mylně označen jako umělá duha[10]

Tento přístup využívá skutečnosti, že v některých případech může být průměrná geometrie lomu přes ledový krystal napodobována / napodobována lomem přes jiný geometrický objekt. Tímto způsobem Circumzenithal oblouk, Circumhorizontal arc a sluneční oblouk Parryho oblouky lze znovu vytvořit lomem prostřednictvím rotačně symetrických (tj. neprismatických) statických těles.[9] Obzvláště jednoduchý stolní experiment uměle reprodukuje barevné cirkumzenitální a cirkumhorizontální oblouky pouze pomocí vodního skla. Lom ve válci s vodou se ukázal být (téměř) identický s rotačně zprůměrovaným lomem skrz svislý hexagonální ledový krystal / krystaly orientované na desku, čímž se vytvořil živě zbarvený cirkumzenitál a cirkumhorizontální oblouky. Ve skutečnosti je experiment s vodním sklem často zaměňován za představující duhu a je tu přinejmenším od roku 1920.[10]

Podle Huygensovy myšlenky (falešného) mechanismu 22 ° parhelie lze také osvětlit (ze strany) vodou naplněné válcové sklo s vnitřní středovou překážkou poloviny průměru brýlí, aby se při promítnutí na obrazovku vzhled, který se velmi podobá parhelii (srov. poznámka pod čarou [39] v odkazu,[9] nebo se podívejte zde[11]), tj. vnitřní červená hrana přecházející do bílého pruhu ve větších úhlech na obou stranách přímého směru přenosu. I když je vizuální shoda blízká, tento konkrétní experiment nezahrnuje falešný žíravý mechanismus a není tedy skutečným analogem.

Chemické přístupy

Nejčasnější chemické recepty na generování umělých halos navrhl Brewster a dále studoval A. Cornu v roce 1889.[12] Cílem bylo vytvořit krystaly srážením solného roztoku. Nesčetné malé takto vytvořené krystaly pak po osvětlení světlem způsobí halo odpovídající konkrétní geometrii krystalu a orientaci / vyrovnání. Existuje několik receptů, které se stále objevují.[13] Společným výsledkem takových experimentů jsou prsteny.[14] Ale také Parryho oblouky byly uměle vyrobeny tímto způsobem.[15]

Mechanické přístupy

Jedna osa

Byly připisovány nejranější experimentální studie o halo jevech[16] Auguste Bravais v roce 1847.[17] Bravais použil rovnostranný skleněný hranol, který otočil kolem své svislé osy. Když byl osvětlen paralelním bílým světlem, vzniklo umělé Parhelic kruh a mnoho z vložených parhelií. Podobně A. Wegener použil hexagonální rotující krystaly k výrobě umělých subparhelií.[18] V novější verzi tohoto experimentu bylo pomocí komerčně dostupného nalezeno mnoho dalších vložených parhelií[19] šestihranné skleněné krystaly BK7.[20] Jednoduché experimenty, jako jsou tyto, lze použít pro vzdělávací účely a demonstrační experimenty.[13][21] Bohužel při použití skleněných krystalů nelze reprodukovat cirkumzenitální oblouk nebo cirkumhorizontální oblouk kvůli celkovým vnitřním odrazům, které zabraňují požadovaným paprskovým cestám, když .

Ještě dříve než Bravais experimentoval italský vědec F. Venturi s špičatými hranolky naplněnými vodou, aby demonstroval cirkumzenitální oblouk.[22][23] Toto vysvětlení však bylo později nahrazeno správným vysvětlením CZA od Bravais.[17]

Umělé halo promítané na sférickou obrazovku.[24][25] Viditelné jsou: tangenciální oblouky, Parryho oblouky, (sub) parhelie, parhelický kruh, heliacké oblouky

Umělé ledové krystaly byly použity k vytvoření halo, které jsou jinak nedosažitelné v mechanickém přístupu pomocí skleněných krystalů, např. cirkumzenitální a cirkumhorizontální oblouky.[26] Použití ledových krystalů zajišťuje, že generované halo má stejné úhlové souřadnice jako přírodní jevy. Jiné krystaly, jako je NaF, mají také index lomu blízký ledu a byly použity v minulosti.[27]

Dvě osy

Za účelem výroby umělých halo, jako jsou tangenciální oblouky nebo ohraničená halo, by se měl otáčet jeden sloupcový hexagonální krystal kolem 2 os. Podobně lze Lowitzovy oblouky vytvořit otočením jediného deskového krystalu kolem dvou os. Toho lze dosáhnout pomocí konstruovaných halo strojů. První takový stroj byl vyroben v roce 2003;[28] následovalo několik dalších.[25][29] Vkládání takových strojů do sférických projekčních ploch a na principu tzv. Transformace oblohy,[30] analogie je téměř dokonalá. Realizace pomocí mikro-verzí výše zmíněných strojů vytváří autentické projekce tak složitých umělých halo bez zkreslení.[9][24][25] Nakonec lze kombinovat superpozici několika obrazů a projekcí vytvořených takovými halo stroji a vytvořit tak jeden obraz. Výsledný superpoziční obraz je pak reprezentací komplexních přírodních halo displejů obsahujících mnoho různých orientačních sad ledových hranolů.[24][25]

Tři osy

Experimentální reprodukce kruhových halo je nejobtížnější pouze s použitím jediného krystalu, zatímco je nejjednodušší a typicky dosažená pomocí chemických receptů. Pomocí jediného krystalu je třeba si uvědomit všechny možné 3D orientace krystalu. Toho bylo nedávno dosaženo dvěma přístupy. První s pneumatikou a sofistikovaným vybavením,[29] a druhý pomocí stroje s náhodným chodem na bázi Arduina, který stochasticky mění orientaci krystalu vloženého do průhledné tenkostěnné koule.[21]

Galerie

Viz také

Reference

  1. ^ Harper, Douglas. "svatozář". Online slovník etymologie. ἅλως. Liddell, Henry George; Scott, Robert; Řecko-anglický lexikon na Projekt Perseus.
  2. ^ Ho Ping-Yu, Joseph Needham Starověká čínská pozorování slunečních halo a parhelií Počasí Duben 1959 (ročník 14, číslo 4) p124-134
  3. ^ ""Disk s dírou „na obloze“. Atmosférická optika. Citováno 3. srpna 2016.
  4. ^ Les Cowley. „Bottlinger's Ring“. Atmosférická optika. Citováno 2017-06-26.
  5. ^ Nance, Robert Morton; Pool, P. A. S. (1963). Glosář slov Cornish Sea. Cornwall: Federace starých společností v Cornwallu. str. 61.
  6. ^ „Nepálské nebe zdobilo mimořádné„ kruhové duhové “halo kolem slunce“. Himálajské časy. 9. července 2015. Citováno 3. srpna 2016.
  7. ^ HaloSim3 od Les Cowley a Michaela Schroedera odkaz
  8. ^ HaloPoint 2.0 odkaz Archivováno 07.10.2016 na Wayback Machine
  9. ^ A b C d „Artificial circumzenithal and circumhorizontal arcs“, M. Selmke a S. Selmke, American Journal of Physics (Am. J. Phys.), Svazek 85 (8), str. 575-581 odkaz
  10. ^ A b Gilbertovy světelné experimenty pro chlapce - (1920), s. 98, experiment č. 94 odkaz
  11. ^ Webová stránka popisující několik DIY experimentů odkaz
  12. ^ „Sur la reproduction artificielle des halos et des cercles parh eliques“, Comtes Rendus Ac. Paříž 108, 429–433, A. Cornu, 1889.
  13. ^ A b „Laboratorní experimenty v atmosférické optice“, Opt. Express 37 (9), 1557–1568, M. Vollmer a R. Tammer, 1998. odkaz
  14. ^ „Tableop divergent-light halos“, Physics Education 42 (6), L. Gisle a J. O Mattsson, 2007. odkaz
  15. ^ Z. Ulanowski, „Ice analog halos,“ Appl. Optics 44 (27), 5754–5758, 2005. odkaz
  16. ^ M. Élie de Beaumont, Memoir of Auguste Bravais (Smithsonian Institution, Washington, 1869)
  17. ^ A b „Mémoire sur les halos et les phénomènes optiques qui les Apartpagnent“, 1847, J. de l'École Royale Polytechnique 31 (18), s. 1 270, §XXIV - Reprodukce artificielle des phénomènes optiques dus à des prismes à ax vertical , Obrázky: PL I: Obrázek 48, PL II: Obrázek: 49-54.
  18. ^ "Die Nebensonnen unter dem Horizont," Meteorol. Z. 34–52 (8/9), 295–298, A. Wegner, 1917.
  19. ^ Homogenizace světelných tyčí / světelných trubek odkaz
  20. ^ „Distribuce intenzity parhelického kruhu a vloženého parhelia při nulové sluneční nadmořské výšce: teorie a experimenty“, Applied Optics (Appl. Opt.), Sv. 54, Issue 22, 6608–6615, S. Borchardt and M. Selmke, 2015. odkaz
  21. ^ A b "Artificial Halos", American Journal of Physics (Am. J. Phys.), Sv. 83 (9), 751–760, M. Selmke, 2015. odkaz
  22. ^ F. Venturi, „Commentarii sopra ottica“, s. 219, Tav VIII, obr. 17, oblouk: PGQ, obr. 27, s. 21 213.
  23. ^ Johann Samuel Traugott Gehler (1829). Physikalisches Wörterbuch: neu bearbeitet von Brandes, Gmelin, Horner, Muncke, Pfaff. E. B. Schwickert. str.494.
  24. ^ A b C Článek s obrázky na BoredPanda: Sférické projekční plátno pro umělé svatozáře
  25. ^ A b C d „Složitá umělá halo pro učebnu“, American Journal of Physics (Am. J. Phys.), Sv. 84 (7), 561–564, M. Selmke a S. Selmke, 2016. odkaz
  26. ^ Domovská stránka: Arbeitskreis Meteore e.V. odkaz
  27. ^ „Analogový experiment rozptylu světla šestihranných částeček podobného typu. Část II: Experimentální a teoretické výsledky“, VESTNÍK ATMOSFÉRICKÝCH VĚD, sv. 56, B. Barkey, K.N. Liou, Y. Takano, W. Gellerman, P. Sokolkly, 1999.
  28. ^ "Demonstrace halo a přeludů v atmosférické optice," Appl. Opt. 42 (3), 394–398, M. Vollmer a R. Greenler, 2003. odkaz
  29. ^ A b „Uměle generované halo: rotující krystaly vzorků kolem různých os“, Applied Optics Vol. 54, číslo 4, str. B97-B106, Michael Großmann, Klaus-Peter Möllmann a Michael Vollmer, 2015. odkaz
  30. ^ „Sky Transform“ na atoptics.co.uk: odkaz

externí odkazy