Гало, ложные солнца и световые столбы: оптика ледяных кристаллов

Морозное утро, небо затянуто тонкой пеленой перистых облаков. Вокруг солнца стоит светлое кольцо, по обе стороны от него на той же высоте горят два ярких пятна, а вверх от солнца тянется бледный столб. Прохожие достают телефоны, а через час в местных пабликах появляется «три солнца над городом».

Гало-явления настолько разнообразны, что каталог насчитывает свыше сотни типов дуг, кругов, столбов и пятен. При этом вся эта библиотека выводится из одного простого объекта — шестигранного кристалла льда.

Разница между явлениями сводится к двум вопросам: через какие грани прошёл луч и как кристаллы ориентированы в воздухе.

Кристалл как призма

Лёд в атмосфере кристаллизуется в гексагональной системе. У шестигранной призмы боковые грани через одну образуют между собой угол шестьдесят градусов, а боковая грань с основанием — девяносто.

Луч, прошедший через две боковые грани, отклоняется минимум на двадцать два градуса. Кристаллы, ориентированные хаотично, дают тогда светлое кольцо радиусом двадцать два градуса вокруг солнца — самое частое гало, видимое в средней полосе десятки раз в году. Ход через боковую грань и основание даёт более редкое и слабое гало радиусом сорок шесть градусов.

Дисперсия работает как в призме: внутренний край кольца красноватый, внешний отдаёт в голубизну. В отличие от радуги цвета смазаны, потому что углы отклонения перекрываются.

Дальше всё определяет ориентация:

• хаотично падающие кристаллы — круглые гало
• плоские пластинки, ложащиеся горизонтально, — ложные солнца, циркумзенитальная дуга, световые столбы
• столбики с горизонтальной осью — верхняя и нижняя касательные дуги
• крупные пластинки, ориентированные особым образом, — редкие дуги Парри
• кристаллы с пирамидальными вершинами — необычные гало радиусами девять, восемнадцать, двадцать и двадцать четыре градуса

Ложные солнца

Паргелии, они же ложные солнца, стоят на той же высоте, что настоящее светило, на двадцать два градуса по обе стороны от него. Чем выше солнце над горизонтом, тем дальше расходятся пятна. Со стороны солнца паргелий красноватый, с внешней стороны у него белёсый хвост.

Механизм — те же боковые грани, но у пластинчатых кристаллов, падающих плашмя и потому работающих одинаково ориентированными призмами.

Самое известное историческое изображение этого явления — шведская картина, известная как Vädersolstavlan. Она фиксирует событие 20 апреля 1535 года над Стокгольмом; сохранившаяся копия написана Якобом Эльбфасом в 1636 году. Для современников это было знамение в разгар политического кризиса, а сегодня искусствоведы и оптики разбирают на ней конкретные элементы: паргелический круг, ложные солнца, касательные дуги. Заодно это старейшее цветное изображение Стокгольма.

Столбы над городом

Световой столб устроен иначе — это не преломление, а отражение. Плоские пластинки льда, падая горизонтально, работают как множество крохотных зеркал, и отражённый свет источника вытягивается в вертикальную полосу.

Источник может быть любым. При морозе примерно ниже минус десяти градусов, когда в воздухе висит алмазная пыль, над городом встают десятки разноцветных столбов, повторяющих цвет уличных фонарей, автозаправок и рекламных вывесок. Высота столбов достигает сотен метров, они неподвижны и исчезают вместе с изменением температуры.

Именно эти снимки чаще всего расходятся как загадочные лучи с неба или посадочные огни неизвестного объекта. Отличить просто: столб всегда строго вертикален, всегда начинается от точечного источника и не имеет собственного основания в воздухе.

Не следует путать с гало другие оптические явления:

• радуга — капли воды, всегда напротив солнца, радиус около сорока двух градусов
• венец вокруг луны — дифракция на мелких каплях, радиус в несколько градусов, порядок цветов обратный
• глория и брокенский призрак — рассеяние назад в облаке или тумане
• серебристые и перламутровые облака — рассеяние на очень высоких облаках в сумерках

Что здесь может любитель

Гало — редкая область, где любительские наблюдения по-прежнему двигают науку. Сложные комплексы возникают на минуты, чаще всего на антарктических станциях и при алмазной пыли в северных городах, и большинство редких дуг описано по фотографиям энтузиастов.

Полезные приёмы простые: перекрыть солнце краем крыши или пальцем, снимать широким углом, чтобы в кадр вошёл весь комплекс, делать серию, а не один кадр, и записывать время, место и температуру.

Гало ценно тем, что решается задача в обе стороны. Не только объяснение спускается от кристалла к небу, но и наблюдатель поднимается от снимка к кристаллу: по набору дуг восстанавливается форма льдинок в облаке и их ориентация. Странное на вид небо оказывается прямым измерительным прибором — и это едва ли не самое красивое, что вообще бывает в атмосферной оптике.