Refracţia şi dispersia luminii pe cristalele de gheaţă

1. Fenomenele optice din natură care se produc din cauza reflexiei,refracţiei şi dispersiei luminiiCapitolul VI - partea I - Refracţia şi dispersia luminii pe cristalele de gheaţă

2. 1. Refracţia şi dispersia luminii pe cristalele de gheaţă din atmosferă

3. 1.1. Tipuri de cristale de gheaţăşi fenomenele pe care le produc

4. Gheaţa prezintă o simetrie moleculară hexagonală şi cristalele sale sunt, în principal, prisme hexagonale care variază în dimensiune şi proporţie, de la lungi coloane la plăci subţiri. Plăcile şi coloanele pot avea dimensiuni diferite ale feţelor şi pot fi neregulate. Totuşi, indiferent de proporţii, unghiurile dintre feţe sunt întotdeauna aceleaşi. Feţele laterale fac întotdeauna un unghi de 60° între ele şi de 90° cu feţele bazale.Fără această constanţă nu ar exista halouri. Cristalele din nori sunt de obicei aliniate într-un anumit mod datorită rezistenţei aerului, în funcţie de curenţii de aer din nori, în timp ce acestea se îndreaptă încet către pământ. Cristalele plate plutesc precum frunzele, feţele lor mari fiind aproape orizontale.Coloanele se aliniază cu axele lungi aproape orizontal. Fiecare aliniament favorizează anumite căi ale luminii prin cristale şi produc propriile familii de halouri.

5. Orientarea obişnuită a plăcilor produce parahelii, arce circumzenitale, arce circum-orizontale, coloane solare, cercuri par-helice. Orientarea Lowitz a plăcilor produce arcele Lowitz. Orientarea obişnuită a coloanelor produce parahelii, arce circumzenitale, ar-ce circumorizontale, coloane solare, cer-curi parhelice, arce tangente, arce su-pra/infralaterale, dar şi alte arce rare.

6. Orientarea Parry a coloanelor produce arcele Parry, mult mai rare. Orientarea întâmplatoare a cristalelor produce halourile de 22° cele mai răspândite, dar şi pe cele de 46°, mult mai rare şi arcele supralaterale, mai des întâlnite. Cristalele piramidale au o formă aerodi-namică rotunjită şi din, această cauză, se aliniază mai greu în comparaţie cu coloa-nele şi plăcile. Acestea produc mai multe tipuri de halouri circulare numite halouri cu unghi ciudat.

7. 1.2. Tipuri de fenomene datorate refracţiei şi dispersiei luminii pe cristale de gheaţă din atmosferă.

8. 1.2.1. Halourile Halourile sunt inele şi arcuri luminoase formate în jurul soarelui sau a lunii. Halourile se produc prin refracţia şi reflexia luminii care vine de la soare sau de la lună în mici cristale de gheaţă în formă hexagonală regăsite în norii cirrus şi în ceaţa îngheţată. Cel mai răspândit halou este haloul cel mic, un arc colorat cu o rază de 22°. Se formează prin refracţia luminii pe cristale de gheaţă sub formă de coloane. Dacă lumina se refractă între feţe perpendiculare ale cristalelor, se poate forma cel mai mare şi mai rar halou, un arc colorat în jurul soarelui sau al lunii cu o rază de 46°. Prin simple sau multiple refracţii unite cu refracţia luminii, pot apărea multe alte halouri. În figura alăturată sunt reprezentate tipurile de halouri în funcţie de înălţimea la care se găseşte soarele, marcată în partea dreaptă a figurii. Scala arată distanţa până la zenit.

9. Halouri obişnuite 1.Halou de 22° 2.Coloană solară (puţin vizibilă) 3.Parhelia de 22° 4a.Arc tangent su-perior (de 22°) 4b.Arc tangent in-ferior ( de 22°) 5.Arc circumzenital 6.Halou de 46° 7a.Arc supralateral 8.Cerc parhelic 9.Parhelia Liljequist

10. Halouri rare 7b. Arcele infralaterale (strălucitoare) 10. Parhelia de 120° (nu foarte strălucitoare) 11. Arcul Parry (superior) 12. Haloul de 9° (foarte estompat) 13. Parhelia joasă de 9° 14. Parhelia de 18° (extrem de estompată) 15. Parhelia joasă de 24° (nu foarte strălucitoare) 16. Arcele antelice Wegener 17. Antelia 18. Arcele antelice Hastings (fotografiate numai la polul sud) 19. Arcele antelice Greenler 20. Arcele antelice Tricker (parţial suprapuse peste 19) 21a. Arcele superioare Tape (nu foarte strălucitoare) 21b. Arcele inferioare Tape (strălucitoare) 22. Arcul heliac (estompat lângă soare) 23. Arcul subhelic (nu foarte strălucitor) 24. Arcul subantelic subhelic (foarte rar văzut înafara Antarcticii)

11. 1.2.2. Halourile ce se observă deasupra orizontului Poziţionarea pe bolta cerească a unora dintre cele mai cunoscute halouri.

12. Haloul de 22° Un halou de 22° este un inel de lumină înconjurând Soarele sau luna.Mai este numit uneori micul halou. Majoritatea halourilor arată ca nişteinele albăstruistrălucitoare, dar în unele cazuri, din cauza dispersiei luminii la trecerea prin cristalele de gheaţă din norii de mare înălţime, precum norii cirostratus, haloul poate fi colorat. În acest caz, prezintă o margine interioară roşie,destul de subţire şi o regiune exterioară de un albăstrui difuz.

13. Halourile se formează atunci când lumina Soarelui sau a lunii este refractată de către cristalele mici de gheaţă asociate cu norii de înaltă altitudine (precum norii cirostratus). Un halo de 22° este un inel de lumină situat la 22° de Soare sau Lună şi este cel mai comun tip de halou. Este produs de către cristale de gheaţă hexagonale în formă de coloană, cu diametre mai mici de 20,5 micrometri, având o orientare întâmplătoare. Halourile de 22° apar foarte des, în 80-120 zile pe an, chiar dacă în majoritatea dăţilor putem vedea doar o secţiune din el şi nu întregul inel.

14. Un halou de 22° se formează când lumina intră printr-o parte a cristalului (cu forma de coloană) şi iese prin partea cealaltă a sa. Lumina este refractată o dată atunci când intră în cristalul de gheaţă şi încă o dată atunci când îl părăseşte. Cele două refracţii schimbă direcţia luminii cu 22° de la direcţia iniţiala, producând un inel de lumină observat la 22° de Soare sau de Lună.

15. Halouri lunare

16. Haloul de 46° Haloul de 46° este foarte similar în aparenţă cu haloul de 22°, cu excepţia faptului că este mult mai mare şi de aceea i se spune marele halou. Se produce mai puţin frecvent decât cel de 22°, în aprox. 4-10 zile pe an şi, datorită mărimii sale mari, poate fi rareori văzut ca un cerc complet. Haloul de 46° poate avea o intensitate doar de o zecime din intensitatea haloului de 22°. Se formează prin refracţia pe feţele perpendiculare ale cristalelor.

17. Lumina ce vine de la soare trece prin cristalele din norii de mare înălţime (precum norii ci-rostratus) şi este refractată sub un unghi de 46° înainte de a fi percepută de ochi. În consecin-ţă, un observator vede un inel de lumină în jurul soarelui (sau lunii) la un unghi de 46° faţă de sursa de lumină. halou de 46° halou de 22°

18. Halouri circulare neobişnuite Halouri foarte mari au fost observate în sudul Finlandei la începutul lunii mai 2006. Raza lor era de aproximativ 45°şi aveau un disc de o nuanţă albastrăşi un inel maro. Cerul era foarte senin, dar destul de întunecat în exteriorul haloului. Halouri mici(cu raze de aproximativ 5°) având disc albastru şi inel maro au mai fost uneori observate. Nu pot fi explicate folosind cristalele piramidale, plăcile sau coloanele. Halourile circulare ale cristalelor piramidale Halourile circulare produ-se de către cristalele pirami-dale se confundă cu haloul de 22° în extrem de multe simu-lări. Sunt mai vizibile halourile de 9, 18, 20, 23, 24 şi 35°. 35° 24° 20° 18° 23° 9°

19. Haloul de 9° este cel mai apropiat faţă de soare dintre halourile cristalelor piramidale şi se produce când aceste cristale au o secţiune prismatică centrală. Razele soarelui trec printr-o faţă a prismei centrale şi o faţă opusă a zonei piramidale. Un-ghiul dintre aceste feţe este de 28°, pentru care unghiul de deviaţie minim este de 9°. Când cristalele nu sunt aliniate, aşa cum se întâmplă de obicei, atunci se produc halouri circulare.

20. Halourile de 18° si 24°reprezintă inele luminoase albe cu razele de 18° şi, respectiv, de 24° . De cele mai multe ori, halouri produse de cristalele piramidale apar împreună. Haloul de 24°este situat foarte aproape de haloul de 22°, putând fi recunoscut cu dificultate. Poate adesea recunoscut numai atunci când haloul de 22°are o lărgime neobişnuită şi apare o dispunere dublă a culorilor spectrale sau culoarea roşie apare pe ambele margini.

21. Parhelia normală (soarele fals) Parhelia reprezintă o pereche de puncte intens colorate şi luminoase, câte unul de fiecare parte a Soarelui. Apare foarte des, în aprox. 60-80 zile pe an. Parhelia se formează atunci când lumina solară sau a lunii (dar extrem de rar) este refractată de cristale hexagonale plate de gheaţă cu diametre mai mari de 30 de microni şi având feţele plate orientate orizontal.

22. Parheliile sunt viziblile atunci când Soarele este aproape de orizont şi în acelaşi plan orizontal cu observatorul şi cristalele de gheaţă. La trecerea luminii solare prin cristalele de gheaţă, direcţia sa se schimba cu 22° înainte de a ajunge la ochii noştri, asemănător cu ceea ce se întâmplăîn cazul haloului de 22°. Această schimbare de direcţie duce la formarea unei parhelii. Diferenţa dintre un halouşi o parhelie constăîn orientarea diferită a cristalelor de gheaţă prin care trece lumina solară înainte de a ajunge la ochii noştri. Dacă cristalele hexagonale sunt orientate cu feţele plate orizontal se formează parhelia, iar dacă cristalele hexagonale sunt orientate aleatoriu, se observă un halou.

24. Parantelia (parhelia de 120°) Parheliile de 120° sunt relativ rare. Apar în 1-2 zile pe an. Dacă parheliile normale sunt puternice, sunt şanse să apară şi o parhelie de 120° şi un cerc parhelic. Toate aceste halouri sunt formate de cristalele plate. Parheliile de 120° apar sub formă de zone circulare la un unghi de 120° de Soare. Parheliile de 120° sunt de culoare albă, deoarecese produc prin reflexia şi refracţia pe feţele paralele. Pot să apară singure sau pe cercul parhelic.

25. Parhelia Liljequist Parhelia Liljequist este un halou rar, care apare pe cercul parhelic, aproximativ la 150°-160° de soare, între parhelia de 120° şi antelie. Parhelia Liljequist este produsă de cristalele sub formă de plăci, şi are culoarea alb strălucitor, ca şi parhelia de 120°.

26. Cercul parhelic Cercul parhelic este o fâşie de lumină albă cu lăţimea de un gradsau foarte întins încât se menţine la nivelul solar. Dacă norii cirrus acoperă cerul uniform, cercul parhelic poate fi văzut înconjurând complet cerul paralel cu orizontul. Faptul că este de culoare albă indică că este datorat reflexiei pe feţele verticale şi refracţiei prin feţele verticale ale plăcilor cu baza orizontală sau ale coloanelor cu axele principale orizontale. Cercul parhelic apare rar, aprox. 5-10 zile pe an.

27. Cerc parhelic Cerc parhelic

28. Parhelia produsă de cistalele piramidale orientate Cristalele pirami-dale produc “parhelii” exotice, foarte diferite de parheliile produse de cristalele plate. Destul de puţine ori-entări ale cristalelor pi-ramidale produc arce parhelice. Arcele laterale sunt albe când cristalele sunt orientate perfect vertical. În caz contrar, arcele devin difuze şi mai alungite.

29. Câteodată, străluciri albe pot fi observate în părţile superioare şi inferioare ale haloului de 9°. Acestea sunt numite parhelie de 9° sau arcele Parry de 9°. Frecvent, aceste halouri apar împreună cu alte halouri produse de cristalele piramidale orientate cu axele principale verticale, ceea ce în natură se întâmplă extrem de rar. La o elevaţie de peste 30°, o parte din arcele superioare nu mai pot să apară. Arcele inferioare apar dacă elevaţia soarelui depăşeşte 50°. Modul în care razele ce produc parhelia superioară de 23° trec prin cristalele piramidale este prezentat în figura de mai sus. Se generează arce strălucitoare dacă cistalele sunt mari şi sunt aşezate vertical.

30. Haloul circumscris Haloul circumscris are o formă ovală, ce depinde de elevaţia soarelui. Pe măsură ce elevaţia soarelui creşte, forma sa se apropie de forma haloului de 22°, devenind mai strălucitor, până când devine circular şi se confundă cu haloul de 22°. Se formează datorită cristalelor în formă de coloană cu axele principale orientate orizontal. Apare în circa 15-25 zile pe an.

32. Arcul tangent superior şi arcul tangent inferior Forma arcelor tangente variază cu elevaţia Soarelui. Arcele tangente ale haloului de 22° apar ca două arce separate când soarele se află jos şi ca un halou circumscris unic când soarele este sus.Sunt tangente haloului de 22° în punctul cel mai ridicat şi cel mai jos. Există întotdeauna câte o zonă albă strălucitoare în regiunea în care arcele tangente ating haloul de 22°. Se produc datorită cistalelor în formă de coloană cu axele principale orizontale. Arcul tangent superior apare în circa 20-30 zile pe an, arcul tangent inferior apare mult mai rar, fiind de cele mai multe ori sub orizont.

34. Arcul circumzenital Arcurile circumzenital şi circumorizontal sunt probabil cele mai frumoase fenomele dintre halourilor. Sunt foarte colorate şi numai curcubeul se poate apropia de splendoarea lor. Arcul circumzenital ia forma unui sfert de cerc centrat pe zenit şi este îndreptat către soare. Se formează când soarele se află la 32° sau mai puţin faţă de orizont. Este mai luminos când soarele se află la înălţimea de 22°. În stânga se observă un arc circumzenital la o elevaţie solară de 10°. Este relativ plat şi subţire. Simularea mai arată şi alte halouri (unul de 46°, un arc tangent, un halou de 22° şi un cerc parhelic).

35. Deşi arcul circumzenital este un halou foarte comun, apărând în medie de 13 ori pe an, şi este plin de culoare, puţină lume îl observă. Trebuie privit cerul într-o zi însorită şi cu nori cirrus pentru a fi văzut. Arcul circumzenital este produs de refracţia luminii în cristale plate de gheaţă însă numai când elevaţia Soarelui este mai joasă de 32°. Cu cât Soarele este mai jos, cu atât arcul devine mai subţire şi mai lung până când devine difuz şi nu mai poate fi observat. Arcul circumzenital nu acoperă niciodată întreg zenitul.

37. Arcul circumorizontal Arcul circumorizontal este perechea arcului circumzenital. Ambele halouri sunt formate de către cristalele plate de gheaţă. Arcele circumorizontale sunt foarte rare în Europa Centrală pentru că Soarele trebuie să fie la o elevaţie de peste 58°. Din această cauză rămân doar câteva săptămâni pe an pentru a-l putea observa în jurul amiezii. Arcul circumorizontal este o bandă de lumină colorată paralelă cu orizontul pe aceeaşi parte a cerului ca şi soarele. Apare doar când soarele se află la peste 57,8°, deci arcul circumzenital şi arcul circumorizontal nu vor fi văzute niciodată în acelaşi timp. În figură: halou de 22°,cerc parhelic şi arc circumhorizontal; elevaţie solară de 62°. Arcul circumorizontal este unul dintre cele mai rare arce, apărând de circa 0,1 ori pe an şi nu este vizibil peste tot pe Terra.

39. Bibliografie http://www.alertes-meteo.com/menu.htm http://www.allthesky.com/atmosphere/atmosphere.html http://apollo.lsc.vsc.edu/classes/met130/notes/chapter19/index.html http://arborsci.com/CoolStuff/cool25.htm http://www.astroman.fsnet.co.uk/atmos.htm http://astrosurf.com/luxorion/menu-science.htm http://www.atoptics.co.uk/ http://www.cosmovisions.com/CThalos.htm http://epod.usra.edu/archive/epodviewer.php3?oid=300928 http://www.flickr.com/photos/naturelover/ http://fr.wikipedia.org/wiki/Ph%C3%A9nom%C3%A8ne_optique http://www.gdargaud.net/Antarctica/AntarSky.html http://www.geocities.com/bowlturner/halos.html http://www.glorie.de/061211/page1.html http://home.swipnet.se/matsm/ http://home.hiwaay.net/~krcool/Astro/moon/moonring/ http://www.inclouds.com/Wx/optical.html http://la.climatologie.free.fr/pheno-optique/optique1.htm

40. http://www.kolumbus.fi/jukka.ruoskanen/Uutta/Valoilmioita/Halos/Uutta.htmhttp://www.kolumbus.fi/jukka.ruoskanen/Uutta/Valoilmioita/Halos/Uutta.htm http://www.ldi5.com/ovni/natconf.php http://www.lochlyn.org/chap13.htm http://www.meteoros.de/englisch/atlas.htm http://www.meteoros.de/indexe.htm http://www.mppmu.mpg.de/~rwagner/album/Lenggries/Halos/ http://www.ne.jp/asahi/stellar/scenes/english/aop.htm http://nsidc.org/arcticmet/basics/phenomena/ http://optics.kulgun.net/ http://perso.orange.fr/marc.chapelet/pheno/index.htm http://www.physics.utoledo.edu/~lsa/_color/13a_sundogs.htm http://www.pixheaven.net/photo_us.php?nom=061028_3269 http://www.rfleet.clara.net/gbh/gbhindex.html http://www.somerikko.net/halos/index.html http://www.teknofokus.fi/Foto/Haloja/Halo10huhti.htm http://www.weather-photography.com/gallery.php?cat=index http://vjac.free.fr/skyshows/ http://ukazy.astro.cz/halo-vyska-slunce.php www.sundog.clara.co.uk\halo\czaim1sr.htm

41. Documentarea, traducerea şi tehnoredactarea iniţială: Coordonarea, completarea informaţiilor şi a imaginilor, corectura textului şi tehnoredactarea finală: prof. Ioana-Mihaela Popescu Colegiul Naţional Unirea Focşani 2007 Baciu Alina Boubǎtrân Lăcrămioara Moşinoiu Flavia Tătaru Violeta Clasa a XI-a D Caba Cătălin Chiriac Geoerge-Gabriel Jujău Liviu-Aleaxndru Pleşcan George Stoica Marian Clasa a XI-a B