Wymarzone warunki do obserwacji astronomicznych to oczywiście ciemne, bezksiężycowe i bezchmurne niebo. Jednak również za dnia i to wtedy, gdy niebo przesłonięte jest chmurami, przyroda przygotowała kilka niespodzianek.

Tęcza powstaje w wyniku rozszczepienia światła słonecznego w znajdujących się w atmosferze kropelkach wody. Światło ulega załamaniu na powierzchni kropli, odbiciu wewnętrznemu w niej i ponownemu załamaniu przy wyjściu z kropli. Znaczna część światła ulega dzięki temu zakrzywieniu o około 138 stopni (42 stopnie względem linii Słońce-środek geometryczny tęczy). Efektem tych załamań i odbicia jest powstanie na niebie okręgu o promieniu kątowym około 42 stopni. Środek tego okręgu znajduje się po przeciwnej stronie nieba niż Słońce. Kolory tęczy spowodowane są rozszczepieniem światła. Współczynnik załamania powietrze/woda jest różny dla światła o różnej barwie. Kąty „wyjścia” z kropli różnią się nieco od średniej, równej 42 stopnie.

Wraz z nadejściem wiosny i wzrostem temperatury, rosną szanse zaobserwowania tęczy. Szczególnie gdy zaraz po deszczu wychodzi Słońce, w powietrzu znajduje się mnóstwo kropelek wody, które odbijają i rozpraszają światło słoneczne a my możemy cieszyć wzrok pięknym widokiem. Ponieważ kąt załamania światła na granicy środowisk powietrza i wody jest stały, tęcza jest zawsze fragmentem okręgu o promieniu 42 stopni. Czasem na skutek dodatkowych odbić widoczne są dodatkowe łuki.

Żeby zobaczyć piękne zjawiska optyczne w atmosferze nie musimy jednak moknąć w oczekiwaniu na koniec deszczu – a to dzięki kryształkom lodu i ich geometrii. Zamarzająca woda tworzy sześciokątne struktury przypominające krótkie ołówki lub płaskie sześciokątne płytki. Jeśli ich rozmiar jest odpowiedni, rzędu dziesiątych części milimetra, działają one jak pryzmaty – uginając i rozszczepiając promienie słoneczne. Zbyt małe kryształki powodują dyfrakcję światła, natomiast większe są kiepskiej jakości, mają pęcherzyki powietrza i inne zakłócenia.

Kryształki zamarzniętej wody w kształcie granastosłupów sześciokątnych występują w okolicach biegunów, a także wysoko w górach (ponad 3000 metrów nad poziomem morza) lub w chmurach pierzastych, występujących w górnych, zimnych warstwach troposfery (5-10 tysięcy metrów nad Ziemią).

Halo wokół Słońca lub Księżyca powstaje, gdy światło biegnące od tych obiektów ulega podwójnemu załamaniu na znajdujących się w atmosferze kryształkach lodu mających kształt graniastosłupów sześciokątnych prawidłowych. W wyniku takiego podwójnego załamania znaczna część światła ulega zakrzywieniu o kąt około 22 stopni (w dowolnym kierunku). Część tego światła dociera do obserwatora, tworząc wokół Słońca okrąg o promieniu kątowym 22 stopni. Warto zwrócić uwagę na widoczne na zdjęciu barwy halo. Na skutek różnic we współczynniku załamania, rożne barwy uginają się pod różnym katem, a składowe światła białego widoczne są w różnych kierunkach. Zdjęcie wykonano w czasie obozu astronomicznego w Załęczu Wielkim w 2001 roku.

Gdy tylko niebo zasnute jest cienką warstwą wysokich chmur, mamy szansę zobaczyć słoneczne halo. Kryształki ołówkowe lodu działają jak klasyczne, 60-stopniowe pryzmaty załamujące bieg promieni słonecznych o około 22 stopnie. Taki jest też promień kręgu widocznego wokół Słońca. Na tej samej zasadzie może powstać halo wokół Księżyca.

SpaceWeather

Halo wokół Księżyca sfotografowane 6 stycznia 2004 roku przez Andy Skinnera w Parku narodowym Yosemite. Zjawisko powstaje gdy światło księżycowe bądź słoneczne załamuje się na kryształkach lodu znajdujących się w pierzastych chmurach wysoko ponad powierzchnią Ziemi.

Kryształki ołówkowe załamują promienie słoneczne o 22 stopnie niezależnie od orientacji w przestrzeni, a najpełniejszy efekt halo jest widoczny, gdy kryształki są całkowicie nieuporządkowane. Wspomnieliśmy też o kryształkach płytkowych – te usytuowane są w przestrzeni poziomo, opadając podobnie jak liście. Załamywanie światła w tak zorientowanych kryształkach odbywa się również o 22 stopnie, ale tylko w płaszczyźnie poziomej. W ten sposób powstaje efekt słońca pobocznego – jasna plama (biała lub w kolorach tęczy) widoczna na niebie na tej samej wysokości nad horyzontem co Słońce.

Słońce poboczne widoczne 22 stopnie od Słońca. Efekt ten jest związany ze zjawiskiem halo. Zdjęcie wykonał Wojtek Rutkowski 24 kwietnia 2006 w Poznaniu.

Omawiane zjawiska są stosunkowo częste – statystycznie w europejskich warunkach pojawiają się co 3-5 dni. Jest jeszcze całe mnóstwo wspaniałych efektów widocznych widocznych rzadziej: łuki, halo opisane, słupy świetlne, kręgi.

Słup słoneczny – efekt optyczny w atmosferze, zaobserwowany na Śląsku 26 maja 2005 przed wschodem Słońca. Autorem fotografii jest Wojtek Rutkowski.

Zachęcamy do obserwacji! Opisy zjawisk znajdują się na podanych niżej stronach lub w literaturze, między innymi w książce Roberta Greenlera „Tęcze, glorie i halo czyli niezwykłe zjawiska optyczne w atmosferze„. Należy pamiętać, by nie patrzeć bezpośrednio na Słońce ani gołym okiem ani przy użyciu instrumentu optycznego bez odpowiedniego zabezpieczenia!