Zjawisko halo, czyli skąd się biorą dziwne kręgi na niebie?

Światło w ziemskiej atmosferze przy odpowiednich warunkach tworzy zapierające dech w piersi zjawiska optyczne. Zjawisko halo to przykład świetlnego fenomenu, który fascynował już starożytne społeczeństwa i stał się inspiracją dla aureoli zdobiących głowy świętych, nie tylko w sztuce chrześcijańskiej. Skąd więc się bierze efekt halo i kiedy może być niepokojący?

W dużym skrócie zjawisko halo polega na powstawaniu świetlnych kręgów i łuków na niebie, zazwyczaj wokół Słońca, rzadziej Księżyca. Jego istnienie zawdzięczamy kryształkom lodu rozproszonym w atmosferze w postaci chmur. Co ciekawe, współcześni naukowcy rozróżniają aż 119 różnych typów zjawiska halo. Pełen katalog opublikowany został w listopadzie 2022 r. w naukowym periodyku „Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer”.

Krótka historia zjawiska halo

Najstarsze wzmianki o dziwnych okręgach na niebie pochodzą sprzed 4-5 tysięcy lat i uwiecznione zostały pismem klinowym na tablicach należących do cywilizacji sumeryjsko-babilońskiej. Zjawisko zafascynowało również Arystotelesa, który próbował wyjaśnić mechanizm powstawania nie tylko halo, ale również tęczy, wierząc, że są to jedynie optyczne efekty, nie zaś realne ciała. Dopiero w XVII w. jednak europejscy astronomowie zbliżyli się do faktycznych procesów rządzących odbijaniem światła – jednym z nich był gdański uczony, Jan Heweliusz.

Jeśli chodzi o graficzne wyobrażenia zjawiska halo, można ich znaleźć sporo w chińskich manuskryptach dokumentujących historię poszczególnych dynastii. Za najbardziej przełomowy uważa się jednak XV-wieczny szwedzki obraz olejny pt. „Vädersolstavlan”, który przedstawia pierwszą kolorową panoramę Sztokholmu z wyraźnie zaznaczonymi kręgami na niebie.

Jak powstaje zjawisko halo?

Aby zrozumieć jakiekolwiek świetlne zjawisko w atmosferze, trzeba wiedzieć, że wiązka promieniowania elektromagnetycznego, jaką de facto jest światło słoneczne, podlega dwóm zasadniczym procesom: odbiciu oraz załamaniu. To drugie obserwujemy, gdy fala przechodzi z jednego ośrodka do drugiego pod kątem innym niż 0° lub 90°.

W przypadku halo światło pochodzące od słońca lub księżyca załamuje się na drobnych kryształkach lodu zawieszonych w cienkiej warstwie chmur cirrusowych. W zależności od kształtu tych kryształków i ich orientacji, jak również ścieżki emisji fali światła, halo może być białe lub kolorowe, idealnie okrągłe, łukowate czy nieregularne.

W najczęstszym scenariuszu światło załamuje się w sześciokątnych kryształkach lodu, dając charakterystyczny obraz świetlnych kręgów i łuków na niebie. Wiązka przenika do wnętrza kryształków załamując się pod określonym kątem, po czym ponownie łamie się przy „wyjściu”. Czasami halo można zauważyć również na powierzchni zamarzniętej tafli wody czy na śniegu. Co ciekawe, fascynujące zjawisko potwierdzono już również na Marsie i może ono pomóc naukowców w poznaniu składu atmosfery na „Czerwonej Planecie”.

Najbardziej egzotyczne (i rzadkie) halo obserwowane są, gdy kryształki lodu mają nietypowych kształt bądź zawierają w sobie dodatkowe minerały. Warto dodać, że niektóre z opisanych i udokumentowanych zjawisk są mimo wszystko jeszcze nie do końca zrozumiane – naukowcy nie wiedzą, kiedy i dlaczego się formują.

Rodzaje zjawiska halo

Najpowszechniejszy i najłatwiej rozpoznawalny rodzaj zjawiska halo określa się mianem halo 22°. Może ono mieć postać pełnego okręgu lub jego części i powstaje właśnie w płytkowych sześciokątnych kryształkach lodu, gdzie promień wychodzący po dwukrotnym załamaniu tworzy z promieniem wchodzącym kąt o wielkości 22-50°. Znaczna większość promieni załamuje się przy tym pod kątem nieco tylko większym niż 22°, co sprawia, że wewnętrzna krawędź halo jest najjaśniejsza. Niebo wewnątrz halo wydaje się natomiast znacznie ciemniejsze niż poza nim.

Analogicznym zjawiskiem, choć znacznie rzadszym, jest halo 46°. Obserwatorowi na Ziemi wydaje się ono znacznie większe i słabsze niż halo 22°. Jego powstawanie wiąże się z wchodzeniem promieni świetlnych do przypadkowo zorientowanych sześciokątnych kryształków lodu, w taki sposób, że wchodzą one przez pryzmę, a wychodzą przez ustawioną do niej pod kątem prostym podstawę.

Halo 46° bardzo łatwo jest pomylić z łukiem stycznym dolnym i górnym. Oba pojawiają się również w sporej odległości od halo 22°, ale zwykle mają tęczowe zabarwienie. Jeszcze wyraźniejsze barwy miewa z kolei łuk okołozenitalny, tworzący się zawsze w wysokich chmurach i przypominający tęczowy uśmiech na niebie. Otacza on zenit od dołu, a jego powstawanie wiąże się przechodzeniem promieni słonecznych przez ustawione poziomo sześciokątne kryształki lodu. Ponieważ kąt między ścianami wynosi aż 90°, kolory są wyraźnie odseparowane i wydają się wyrazistsze niż w tęczy. Szczęśliwcy często obserwujący niebo nad głową mają szansę dostrzec łuki styczne i łuk okołozenitalny jednocześnie.

Bardzo rzadkim zjawiskiem jest natomiast łuk Kerna, który przypomina wyglądem łuk okołozenitalny, z tą różnicą, że ma postać okręgu opasującego zenit. Pierwszą fotografię tego spektakularnego zjawiska wykonano dopiero w 2007 r. Wyjaśnienie fenomenu spoczywa w nietypowym kształcie kryształków lodu, które są bardziej trójkątne niż sześciokątne, a kąt załamania wynosi w tym przypadku 60°.

Jeszcze innym typem halo jest halo opisane, które przyjmuje kształt zniekształconego owalu – tym szerszego, im wysokość słońca na niebie jest mniejsza. Gdy słońce wzniesie się pod kątem 70° w stosunku do powierzchni ziemi, halo opisane pokrywa się już całkowicie z halo 22°. Zjawisko to, podobnie jak inne typy halo, obserwowane jest również w nocy, jeśli księżyc jest odpowiednio jasny (idealnie w pełni).

Wreszcie, pomiędzy ponad stoma różnymi typami halo warto wspomnieć również o tzw. kręgu parhelicznym, który jest poziomym białym pasem przechodzącym przez słońce, równolegle do powierzchni ziemi. Powstaje on w wyniku odbijania się promieni od pionowo ustawionych kryształków lodu.

Zjawiska pokrewne halo

Opisane powyżej zjawisko halo nie wyczerpują repertuaru dziwnych świetlnych malowideł na dziennym i nocnym niebie. Do ciekawych i bardzo wyrazistych zjawisk należą np. słońca poboczne, zwane również parheliami, zaznaczające się bardzo jasnymi plamami światła, zwykle po obu stronach słońca. Ich umiejscowienie nie jest bynajmniej przypadkowe – znajdują się dokładnie na przecięciu halo 22° z kręgiem parhelicznym.

Słońca poboczne powstają, gdy światło załamuje się i jednocześnie jest rozpraszane od położonych pionowo, płytkowych kryształów lodu o sześciokątnym kształcie. Kryształki te mogą znajdować się nie tylko w chmurach cirrusowych, ale również tzw. diamentowym pyle, czyli lodowej chmurze tworzącej się tuż przy powierzchni ziemi. Warto dodać, że po stronie bliższej słońca parhelia są wyraźnie czerwone i pomarańczowe, stopniowo jaśniejąc w kierunku zewnętrznym i w końcu stapiając się z białym kręgiem parhelicznym, jeśli jest on akurat widoczny.

Niemniej ciekawe są słupy słoneczne, pojawiające się na niebie zwykle przed samym wschodem słońca lub tuż po jego zachodzie. Pojedyncza kolumna światła, często zabarwionego na czerwono, wydaje się strzelać prosto w niebo, znikając za horyzontem. Słup słoneczny powstaje w wyniku odbijania się promieni słonecznych od zorientowanych poziomo kryształków lodu, które opadają w dół lub dryfują w powietrzu.

Na koniec warto jeszcze wspomnieć o wieńcu, zwanym też lisią czapą, czyli zjawisku otaczającym słońce lub księżyc prawdziwą aureolą. Występuje ono jedynie w sytuacji cienkiej warstwy chmur lub mgły, które powodują dyfrakcję światła. Wieniec jest zwykle barwny, czerwieniejący ku zewnętrznej krawędzi i może dodatkowo być otoczony dalszymi pierścieniami o pastelowych barwach. Im mniejsze cząsteczki wody w chmurze lub mgle, tym szersza poświata.

Zjawisko halo jako problem z oczami?

Jeśli opisane powyżej zjawiska są dla Ciebie chlebem powszednim i widzisz je regularnie nie tylko wokół słońca i księżyca, ale również innych źródeł światła, to niestety przesłanka, aby wybrać się do okulisty. Wizja typu halo bywa bowiem asocjowana z szeregiem różnych problemów optycznych.

Przede wszystkim doświadczają jej regularnie krótkowidze oraz osoby po przebytej laserowej operacji korekcji wady wzroku (LASIK). Jeśli widzenie halo pojawia się jednak dość nagle i towarzyszą mu objawy typu ból czy zaburzenia ostrości, to przyczyną może być np. rozwój zaćmy, dystrofia Fuchsa związana ze zmianami w rogówce, jaskra czy stożek rogówki. Ponadto widzenie halo wokół świateł jest również asocjowane z zespołem suchego oka oraz migreną oczną.

Jedno jest pewne, w razie jakichkolwiek wątpliwości, warto skonsultować sytuację ze specjalistą!