Ten gevolge van
breking of
terugkaatsing van
zonlicht door
zwevende
ijskristallen vormen
zich op
verschillende
plaatsen aan de
hemel vaak
relatief
heldere vlekken,
zuilen, cirkels of
bogen. Gemiddeld
kunnen in ons land
om de andere dag
dergelijke
verschijnselen, die
men halo's
noemt,
waargenomen worden.
Desondanks is dit
prachtige
natuurverschijnsel
bij velen helaas
onbekend.
Onder de naam halo's
vat men een aantal
lichtverschijnselen
aan de hemel samen
waarvan de kleine
kring de bekendste
is. Naast de
ringvorm kunnen ook
bogen, zuilen of
lichtvlekken
voorkomen. Sommige
halo's zijn wit,
andere zijn aan de
kant van de zon
roodachtig van kleur
terwijl
ook zeer
kleurrijke halo's
voorkomen. De meeste
haloverschijnselen
liggen gegroepeerd
in een vrij ruim
gebied rond de zon
of de maan,
die ook
als lichtbron kan
fungeren. Er zijn
echter ook halo's
die juist tegenover
de zon zijn gelegen
of de hemel geheel
Kleine kring of kring van 22 graden
Een bijzon
Circumzenitale boog.
In ons land is gemiddeld om de andere dag wel een kleine kring of gedeelte daarvan waar te nemen. Andere halo's komen minder vaak voor, sommige zijn zeer zeldzaam. Halo's komen slechts voor in een beperkt aantal wolkentypen. Deze .hebben met elkaar gemeen dat ze uitsluitend bestaan uit ijs. Bij de verklaring van de haloverschijnselen speelt dat een belangrijke rol. Voor veel halo's heeft men zo'n verklaring al kunnen
vinden, maar nog steeds zijn er verschijnselen waarvoor een bevredigende verklaring ontbreekt.
Afbeelding-1
Afbeelding-2
1:
Haloverschijnselen
en bij de vorming
daarvan betrokken
ijskristallen: circumzenitale boog,
bovenraakboog aan de
kleine kring, kring
om de
zon of kleine
kring, bijzonnenring
of horizontale
cirkel, bijzonnen en onderraakboog aan de
kleine kring.
2: Positie van
haloverschijnselen
aan de hemel ten
opzichte van zon,
zenit en horizon: 1.
kleine kring. 2.
bijzonnen. 3. grote
kring. 4. zuil. 5.
bijzonnenring of
horizontale cirkel.
6. omhullende halo.
7. circumzenitale
boog.
Vormveranderingen
van
haloverschijnselen
bij verschillende
zonshoogten.
sun = zon
horizon = horizon
22o halo = kleine
kring of kring van
22 graden
sundogs = bijzonnen
upper tangent arc =
bovenraakboog aan de
kleine kring
circumzenithal arc =
cirumzenitale boog
parhelic circle =
bjzonnenring of
parhelische ring
superlateral arc =
superlaterale boog
Parry arc = boog van
Parry
Subparhelia =
onderbijzonnen
circumscribed halo =
omhullende halo
infralateral arc =
infralterale boog of
benedenzijdelingse
raakboog aan de
grote kring
circumhorizontal arc
= circumhorizontale
boog
De kleine
kring
Verreweg het meest
voorkomende
haloverschijnsel is
de kleine kring. In
ongeveer 9 van de 10
gevallen, waarin
halo's worden
waargenomen is hij
geheel of
gedeeltelijk
aanwezig. Het is een
lichtring om de zon,
waarvan de
binnenkant scherp
begrensd is op een
afstand van ongeveer
22° van de zon (Fig.
2).
Om deze reden
wordt hij ook wel
kring van 22°
genoemd.
De buitenrand is onbepaald: de lichtsterkte neemt naar buiten toe geleidelijk af. Gewoonlijk is hij wit van
kleur met een rode of roodachtige binnenrand, soms violet aan de buitenzijde terwijl een enkele maal ook andere kleuren voorkomen.
Als de kring
moeilijk zichtbaar
is en de
lichtintensiteit
zwak, zoals met name
bij kringen om de
maan dikwijls het
geval is, zijn er
nauwelijks kleuren
te onderscheiden. De
kleuren zijn het
duidelijkst in de
punten recht boven
de zon, recht
eronder en links en
rechts op dezelfde
hoogte als de zon. Dat zijn ook de punten waar
de kring het helderst is. Binnen de kring ziet de hemel er meestal donkerder uit dan erbuiten. De verklaring
van de kleine kring berust op de breking van zonlicht in de ijskristallen, die de wolken vormen waarin het verschijnsel optreedt. We zullen daarom eerst die ijskristallen nader bekijken.
IJskristallen
IJs in de atmosfeer
kristalliseert in de
vorm van regelmatige
zeshoekige
kristallen of
samenstellingen
daarvan. De
eenvoudigste en
meest voorkomende
vormen zijn de
zuiltjes en de
plaatjes (zie Fig.
3). Bij beide valt
de zeshoekige vorm
op; het enige
verschil zit in de
verhouding
tussen de
lengte van de as en
de diameter van het
kristal.
Door hun regelmatige
vormen kunnen de
ijskristallen
beschouwd worden als
prisma's voor het eropvallende
zonlicht. In Fig. 4
is aangegeven
hoe
men zich deze prisma's kan voorstellen. Er treden brekende hoeken van 60°, 90° en 120° op. De zijvlakken van de prisma's kunnen het opvallende licht terugkaatsen. Daarnaast zal er ook licht invallen, dat het kristal weer via een ander zijvlak verlaat. Hierbij verandert de
lichtbundel van richting, omdat aan beide grensvlakken tussen ijs en lucht breking optreedt.
Afbeelding-3
Afbeelding-4
3: Een plaatje (links) en een zuiltje (midden) in de stand waarin zij in de atmosfeer het meest voorkomen. Beide liggen in een horizontaal vlak.
Rechts: zuiltjes in een willekeurige stand.
4: IJskriatallen als prisma's. Brekende hoeken van 60, 90 en 120 graden treden op
De hoek tussen de
invallende en
uittredende
lichtbundel noemt
men de deviatie
(Fig. 7) ze hangt
af van de invalshoek
van de lichtbundel
en de brekende hoek
van het prisma.
Bovendien is ze
afhankelijk van de
kleur van het licht,
doordat de
brekingsindex van
ijs enigszins
afhangt van die
kleur (zie Fig. 7).
Op deze
kleurschifting
berust de toepassing
van prisma's voor
het ontwerpen van
spectra.
Afbeelding-6
Afbeelding-7
6: Kleurschifting door een prisma. Het invallende witte licht wordt gebroken bij het invallen op het prisma en vervolgens opnieuw bij het
uittreden.
Bij de breking treedt kleurschifting op, doordat elke kleur zijn eigen brekingsindex heeft.
7: De stralengang van licht door een prisma. De figuur bevat een overzicht van de gebruikte begrippen uit de geometrische optica: invalshoek i,
terugkaatsingshoek t en brekingshoek r worden gemeten ten opzichte van de normaal. Tevens is de keurschifting aangegeven en de waarde
van de brekingsindex n voor verschillende kleuren van het licht. De kleurschifting is overdreven weergegeven.
Verklaring
van de kleine kring
De kleine kring
wordt gevormd door
de breking van
zonlicht door
ijsprisma's met een
brekende hoek van 60
graden in een
willekeurige stand.
Het voorkomen van
allerlei
oriënteringen van de
kristallen betekent
dat het licht van de
zon op het ene
ijsprisma onder een
andere hoek invalt
dan
op het andere, zodat
allerlei
invalshoeken
voorkomen. Doordat
de deviatie onder
andere afhangt van
de hoek van inval,
zullen ook hiervoor
verschillende
waarden optreden.
Met behulp van de
brekingswet van Snellius kunnen deze
worden berekend. In
Fig. 5 is uitgezet
hoe de deviatie
afhangt van de hoek
van inval. Als de
invallende straal
langs het zijvlak
scheert is de
invalshoek maximaal
en wel 90 graden.
Voor lichtbundels
die onder een kleine
hoek invallen is
geen deviatie
opgegeven. Deze
bundels vallen n.l.
op het andere
zijvlak van het
prisma in onder een
hoek die
groter is dan de
zgn. grenshoek. Er
treedt dan totale
terugkaatsing op aan
dat zijvlak,
waardoor er geen
licht zal
uittreden.
Stralengang kleine kring of kring van 22 graden.
Afbeelding-5
5: Intensiteitsverdeling van de kleine kring. De zon moet gedacht worden in het midden van de figuur.
De witte stippen geven aan waar het zonlicht zoal terecht kan komen na breking in ijsprisma's met
een tophoek van 60 graden en een willekeurige stand.
6: Verband tussen invalshoek en deviatie bij een ijsprisma met een tophoek van 60 graden. De deviatie
vertoont een minimum.
De minimumdeviatie bedraagt 22 graden. in het geval van ijsprisma's
(plaatjes of zuiltjes) met een tophoek van 60 graden.
Afbeelding-6
Uit de grafiek
kunnen we aflezen
dat de deviatie een
minimale waarde
heeft van ongeveer
22 graden. Verder
zien we dat voor
relatief veel
invalshoeken de
deviatie in de buurt
van 22 graden ligt.
Zo liggen
bijvoorbeeld de
deviaties voor
lichtstralen die
invallen onder
hoeken tussen
35 graden en 55
graden tussen 21
graden 50' en de 23
graden 25'. Kiezen
we een ander, even
groot gebied op de
horizontale as, dan
variëren
de
deviaties veel
sterker. Bij waarden
van 15-35 graden van
de invalshoek
behoren waarden van
22 -34 graden voor
de deviatie. Dit
heeft tot
gevolg dat
relatief veel van
het op de
ijsprisma's
invallende licht
uittreedt onder een
hoek van ongeveer 22
graden met de
invallende
lichtstraal.
Dat
betekent
voor een waarnemer
dat hij in een
richting van 22
graden van de zon af
moet kijken om die
lichtstralen te
zien. Hij ziet dus
overal
op een
afstand van 22
graden een lichte
plek aan de hemel, voorzover zich op
die plaatsen vanuit
de waarnemer bezien
tenminste geschikte
wolken bevinden.In Fig. 5 is
schematisch getekend
wat men kan
waarnemen. In het
midden van de figuur
moet de zon gedacht
worden.
De stippen
geven aan waar het
zonlicht zoal
terecht kan komen na
breking door
ijsprisma's met een
brekende hoek van 60
graden in een
willekeurige stand.
Bij een
computerberekening,
die de tekening van
Fig. 6 opgeleverd
heeft, is behalve op
het bovenstaande ook
gelet op stralen,
die een hoek
maken
met het vlak van
tekening van Fig. 7
en op de intensiteitsverhouding
tussen de gebroken
en de teruggekaatste
stralen. Verder
vangt een zijvlak
van een ijskristal
dat loodrecht op het
invallende zonlicht
staat meer licht in
dan een zijvlak in
een andere stand.
Ook hiermee is
rekening gehouden.
Uit de figuur is te
begrijpen dat de
hemel binnen de
kring er vaak
donkerder uitziet
dan daarbuiten.
Binnen de kring
kunnen geen
gebroken
lichtstralen komen
omdat voor geen
enkele invalshoek de
deviatie kleiner is
dan 21 graden 50'.
De roodachtige
binnenrand van de
kleine kring hangt
samen met het feit
dat de brekingsindex
van ijs voor rood
kleiner is dan voor
andere kleuren
(zie Fig. 7). De
minimumdeviatie is
daardoor eveneens
kleiner, zodat het
rode licht dichter
bij de zon terecht
komt dan de andere
kleuren.
Verder van
de zon af komen
lichtstralen terecht
van verschillende
kleuren- zodat de
kring er daar wit
uitziet, behalve
soms aan de
buitenzijde,
die dan
violet is.
Figuur-7
Figuur-8
Figuur-9
7: Een
lichtstraal
(incident ray) valt
in op een grensvlak
tussen water
(grotere
brekingsindex) en
lucht (kleinere
brekingsindex). Bij
grote van de
invalshoek
wordt er geen licht
meer gebroken (refracted
ray,) maar wordt
alle licht
teruggekaatst:
totale terugkaatsing
(total internal
reflection). De
invalshoek waarbij
totale terugkaatsing
optreedt heet
grenshoek (critical
angle) en bedraagt
in het geval van de
overgang van
water naar lucht
48,75 graden.
8: Licht dat
invalt op een prisma
wordt tweemaal
gebroken alvorens
het weer uittreedt.
De totale
richtingverandering
(deviatie) heeft een
minimum. De minimumdeviatie
hangt af van de
brekingsindex van
het materiaal
waarvan het prisma
is gemaakt. In het
getoonde geval is de
brekingsindex n=1,5
en bedraagt de
minimumdeviatie 37,2
graden; ze treedt op
bij een invalshoek
van 48,6 graden.
9: Een
lichtbundel (geel;
links) wordt met een
lens (blauw) omgezet
in een evenwijdige
lichtbundel(geel)
die invalt op een
prisma (blauw).
Het licht wordt
tweemaal gebroken
alvorens het weer uittreedt en met
behulp van een
tweede lens (blauw)
wordt opgebeeld op
een scherm
(wit, rechtsonder).
De totale
richtingverandering
(deviatie) heeft een
minimum. De
minimumdeviatie is
in de figuur
aangegeven met een
witte
lijn,
die af en toe
zichtbaar is als de
lichtbundel het
toelaat..
De bijzonnen van de kleine kring
Voor de vorming van de kleine kring waren
ijskristallen verantwoordelijk, die zich in
een willekeurige stand bevonden. Vaak nemen
de kristallen
echter gemiddeld een vaste stand aan,
zoals
aangegeven in Fig. 3. Ze bevinden zich niet
voortdurend in die stand, maar schommelen er
in
meerdere of mindere mate omheen, afhankelijk
van de atmosferische omstandigheden.
In een
onrustige luchtlaag met een harde,
onregelmatige wind, kunnen alle mogelijke
oriënteringen voorkomen.
Veel haloverschijnselen vereisen een min of
meer vaste stand van de ijskristallen. Dit
geldt voor alle halo's die niet de vorm van
een cirkel hebben
met de zon als middelpunt. De bijzonnen van
de kleine kring zijn hiervan het meest
bekende voorbeeld. Het zijn heldere
lichtvlekken, die op
dezelfde hoogte als de
zon op de kleine kring liggen of iets
daarbuiten. Ze hoeven niet
noodzakelijkerwijs beide tegelijk zichtbaar
te zijn en de aanwezigheid van de kleine
kring is niet vereist. Deze bijzonnen
behoren tot de kleurrijkste haloverschijnselen.De bijzonnen ontstaan in
plaatjes
die zich ongeveer in de stand van
Fig. 3a bevinden. Als de zonshoogte 0 graden
bedraagt verloopt de stralengang als in Fig.
7. De waarnemer
ziet de zon, maar ook de
bijzon en dus de wolk waarin debijzon wordt
gevormd, op de horizon. Het vlak van
tekening van Fig. 7 is nu het horizontale
vlak waarin zich waarnemer, zon en de bij de
vorming van de bijzon betrokken plaatjes
bevinden.
De invalshoek hangt af van de
stand van een plaatje in het horizontale
vlak; de deviatie volgt uit Fig. 5.
We zien nu door de vaste stand van de ijs-
kristallen de lichte vlekken alleen op de
hoogte van de zon en niet, zoals bij een
willekeurige stand
van
de ijskristallen, overal op een afstand van
22 graden van de zon. De afstand tot de zon
wordt ook nu bepaald door de kleinste waarde
van
de deviatie, die uit de grafiek van Fig.
5 is af te lezen. Hieruit kunnen we ook de
maximale lengte van de staart, gevormd door
lichtstralen,
die meer dan het minimum
worden afgebogen, aflezen: deze is gelijk
aan het verschil tussen de grootste en de
kleinste waarde van de deviatie,
dus ruim 20
graden. Wanneer de zon boven de horizon
staat bevinden de lichtstralen zich niet
langer in het vlak van tekening van Fig. 7.
Het gevolg is dat de deviatie grotere
waarden aanneemt. Hierdoor wordt de afstand
tussen de zon en de bijzonnen groter. Hoe
hoger de zon
staat, des te groter wordt ook
de kleinste waarde van de deviatie en
daarmee dus ook de afstand tussen zon en
bijzon (zie Tabel 1).
Tabel 1. Afstand
zon-bijzon voor verschillende
zonshoogten
Zonshoogte
0°
10°
20°
30°
40°
5°0
60°
Afstand zon-bijzon (minimum
deviatie geel)
21° 50'
22° 10'
23° 4'
24° 49'
37° 38'
32° 26'
44° 38'
Theoretisch is de grootste waarde voor de
afstand zon-bijzon 50 graden . Deze waarde
wordt bereikt bij een zonshoogte van ruim 60
graden.
De staart is dan ook helemaal verdwenen.
Er
zijn echter weinig waarnemingen beschikbaar
voor zonshoogten van meer dan 40 graden ,
omdat
de bijzonnen lichtzwakker worden
naarmate de zon hoger staat. De vaste stand
van de bij de bijzonnen betrokken
ijskristallen veroorzaakt ook
de grote
kleurrijkdom van de bijzonnen. Alle
lichtstralen maken dezelfde hoek met het
vlak van tekening van Fig. 7. Een naar
verhouding groot gedeelte van
het invallende licht wordt dan onder de
minimale hoek afgebogen zodat veel licht van
één kleur van een klein gebied aan de hemel
lijkt te komen.
Bij de kleine kring is dat een veel geringer
gedeelte omdat het zonlicht onder allerlei
hoeken met het vlak van tekening van
Fig. 7
invalt.
Figuur-10
Linkerbijzon, Egmond aan Zee.
10: Computersimulatie van bijzonnen links en rechts van de zon. De bijzonnen hebben een 'staart'
die van de zon af wijst.
De omhullende halo
Een ander haloverschijnsel dat een vaste
stand van de bij de vorming betrokken
ijskristallen vereist, is de omhullende
halo. Deze ontstaat
wanneer zuiltjes zich in
de stand van Fig. 9 bevinden,
of een van de
standen, die door draaiing op de aangegeven
manier verkregen kan worden.
Een zuiltje in het vertikale vlak door de
waarnemer en de zon met de lengterichting
loodrecht op dat vlak, veroorzaakt breking
van de lichtstralen
als
in Fig. 7. Daardoor verwachten we recht
boven en recht onder de zon lichte vlekken
op de plaats van de kleine kring. Voor
zuiltjes in andere standen en/of buiten dat
vlak maken de lichtstralen een hoek met het
vlak van tekening van Fig. 7. Bij de
bijzonnen zagen we reeds dat dan de kleinste
waarde voor de deviatie toeneemt.
Figuur 8: De kleine kring en de omhullende halo bij verschillende zonshoogten: van links af 10, 35, 40, 50, 60, 70, 80 en 90 graden.
Boven de 30 graden
vloeien de beide
raakbogen in elkaar
over en gaan
geleidelijk over in
een min of meer ellipsvormige kromme: de
omhullende
of omgeschreven halo.Bij een zonshoogte van
70 graden valt deze
halo samen met de kleine kring. Voor
zonshoogtes tussen de 30 graden en
de 40
graden is de lichtsterkte op de hoogte van
de zon zo gering, dat de omhullende halo
daar nauwelijks waarneembaar is. Bij geringe
zonshoogtes bevindt zich vaak een
lichtsterke van de zon af gerichte witte
sluier bij deze halo.
Men kan die
vergelijken met de staart van de bijzonnen.
Dit haloverschijnsel is gewoonlijk niet erg
kleurrijk; meestal is alleen een naar de zon
gerichte rode of roodachtige binnenrand
aanwezig.
Bovenraakboog kleine kring; De Bilt
Onderraakboog kleine kring, Jistrum.
Stralengang grote kring van 46 graden
De grote kring
Tot nu toe bespraken we alleen halovormen
die ontstonden door breking van zonlicht in
ijsprisma's met een brekende hoek van 60
graden .
In Fig. 4 werd reeds aangegeven dat we ons
in regelmatige zeshoekige kristallen ook
prisma's met brekende hoeken van 90 graden
en
120 graden kunnen denken. We kunnen ons
afvragen of dergelijke prisma's aanleiding
geven tot vergelijkbare haloverschijnselen.
Voor wat
betreft de brekende hoek van 120
graden kunnen we kort zijn. Omdat er totale
terugkaatsing optreedt kan door een
dergelijk prisma geen licht
vallen op de
manier van Fig. 7. De grootste waarde van de
brekende hoek, waarvoor er nog net een
gebroken lichtstraal uit het prisma treedt
bedraagt 99,50. Dit houdt in dat prisma's
met een tophoek van 90 graden wel licht
doorlaten. De minimumdeviatie van
rechthoekige prisma's bedraagt ongeveer 46
graden (Fig. 10).Bij een willekeurige stand van de
ijskristallen kan op dezelfde manier als bij
de kleine kring de grote kring of kring van
46 graden ontstaan.
Het is een cirkel met de
zon als middelpunt en een straal van 46
graden, die lichtzwakker is dan de kleine
kring. Meestal zijn alleen gedeeltes
zichtbaar. De binnenrand is rood van kleur,
evenals bij de kleine kring, e kleuren kunnen voorkomen.
De kring van
46 graden komt veel minder vaak
voor dan die van 22 graden.
De bijbehorende
bijzonnen worden haast nooit waargenomen,
omdat voor het ontstaan hiervan zeldzame,
samengestelde kristallen nodig zijn. Wel
regelmatig waargenomen wordt de bovenraakboog aan de grote kring.
De
verklaring en de verandering van de vorm van
deze boog met de zonshoogte verlopen
ongeveer analoog aan die van de raakboog
aart de
kleine kring.
Zie verklaring onder
-
Gang van de
lichtstralen bij de
vorming van (van
links af) de kleine
kring, de bijzon, de
bovenraakboog aan de
kleine kring, de
zuil en de
circumzenitale boog.
Bijzonnen en
circumzennitale boog
komen vaak
gelijktijdig voor
omdat ze veroorzaakt
worden door dezelfde
ijskristallen
in
dezelfde stand.
De circumzenitale boog
De bovenraakboog van de kring van 46 graden
onderscheidt zich meestal weinig van de zeer
kleurrijke en lichtsterke circumzenitale
boog.
Dit is een gedeelte van een horizontale
cirkel om het zenit; theoretisch maximaal
een halve cirkel maar gewoonlijk is er niet
meer dan 1/4 cirkel
te zien. De bolle kant
is naar de zon gekeerd en rood; de
binnenkant is violet. De boog ontstaat in
plaatjes, die alle precies in de stand van
Fig. 3a staan. De zonshoogte bepaalt de
invalshoek en met de brekingswetten is de
deviatie te berekenen. Alleen voor een
zonshoogte van
22 graden raakt de circumzenitale boog aan de grote kring,
omdat bij de dan optredende hoek van inval
de deviatie minimaal is. Bij andere
zonnestanden ligt de boog iets boven de
grote kring. Bij zonshoogten van meer dan 32
graden verdwijnt de boog omdat dan in het
ijsprisma
totale terugkaatsing optreedt.
In de praktijk is hij alleen bij lage
zonnestanden van de bovenraakboog aan de
grote kring te onderscheiden.
Op dezelfde
wijze kan ook aan de onderzijde van de grote
kring de zgn. circumhorizontale boog
ontstaan, die op zijn beurt moeilijk te
onderscheiden is van de onderraakboog aan de
grote kring. Door de hoge zonnestand die
vereist is zijn deze bogen in ons land
hoogst zeldzaam.
Circumzenitale boog, De Bilt.
Circumzenitale boog en zonshoogte.
Circumzenitale boog
Kringen met ongewone straal
Eveneens zeer zelden worden kringen om de
zon waargenomen met andere stralen dan
22 graden of 46 graden . Men spreekt dan van
kringen met ongewone straal. Ze komen vaak
met meerdere tegelijk voor. Hun stralen
lopen uiteen van 6- 35 graden.
De kringen ontstaan op dezelfde manier als
de kleine en de grote kring. De vorm van de
benodigde ijskristallen wijkt echter af van
die in Fig. 3. Een voorbeeld geeft de figuur
hieronder.
In dergelijke kristallen komen
brekende hoeken voor met andere waarden dan
de in Fig. 4 getoonde. De bijbehorende
minimumdeviaties komen weer overeenmet de
stralen van de kringen.
Voorbeelden van een ijskristal zoals betrokken bij kringen van ongewone straal.
De bijzonnenring
De halo's die tot dusver zijn beschreven
werden vonden alle hun oorzaak in de breking
van licht in ijsprisma's. Er bestaan echter
ook haloverschijnselen die door
terugkaatsing veroorzaakt worden. Een
voorbeeld hiervan is de bijzonnenring, ook
wel parhelische ring of horizontale
cirkel genoemd (met de maan als lichtbron:
de bijmanenring of paraselenische ring).
Bij de vorming van de bijzonnenring zijn
verscheidene stralengangen mogelijk,
gekenmerkt door een of meer reflecties tegen
kristalwanden.
Omdat bij terugkaatsing geen kleurschifting
optreedt is deze ring wit van kleur. Als hij
volledig ontwikkeld is, heeft de ring de
vorm van een
band,
die evenwijdig aan de horizon loopt op de
hoogte van en door de zon. Hij wordt
veroorzaakt door terugkaatsing van zonlicht
tegen
verticale zijvlakken van plaatjes of
zuiltjes. De stralengang is weergegeven in
Fig. 11. Omdat het spiegelend oppervlak
vertikaal is, maar
overigens alle standen
kan aannemen, ziet een waarnemer de
horizontale cirkel op dezelfde hoogte als de
zon. In alle richtingen komt het
spiegelbeeld van de zon dus tot stand,
althans voor zover zich in die richtingen
vanuit de waarnemer bezien geschikte
ijskristallen bevinden.
Dit behoeft
natuurlijk niet altijd het
geval te zjjn, zodat de ring ook
gedeeltelijk kan voorkomen. De bijzonnenring
dankt zijn naam aan de
bijzonnen (o.a. die
van 22° en 46°) die op de plaats van deze
ring kunnen voorkomen. Zeer zelden staat
recht tegenover de zon de tegenzon
als een
witte, wazige lichtvlek op de ring.
bijzonnenring, De Bilt. Midden: onderzon en onderbijzon
Onderzon en bijzon
Onthullende halo
Afbeelding rechts: Omhullende halo en kruis,
waargenomen door Albert Tissandier tijdens
een ballonvlucht van Parijs naar Arachon,
maart 1875.
Onderzon, zuil en kruis
Stelt U zich voor dat U zich in een
vliegtuig bevindt met onder U wolken die
bestaan uit een groot aantal plaatjes. U
kijkt in de richting van de laagstaande zon,
waarvan het licht wordt
weerspiegeld door de
volkomen horizontale zeshoekige bovenvlakken
van de plaatjes. Hierdoor zoudt
U behalve de
zon ook een spiegelbeeld van de zon
waarnemen. Als de plaatjes enigszins om hun
evenwichststand heen en weer schommelen,
wordt het spiegelbeeld groter, vooral in vertikale richting. Een dergelijke
lichtvlek, die zich even ver onder de
horizon bevindt als de zon erboven,
noemt men een onderzon. Het verschijnsel kan
vanuit vliegtuigen of vanaf bergtoppen
worden waargenomen. Naarmate de plaatjes bij
hun schommelende beweging verder uit hun
evenwichtsstand geraken, wordt de vorm van
de weerspiegeling langgerekter. Op den duur
ontstaat
de zuil, een vertikale lichtstreep
of lichtpluim, die zowel boven als onder de
zon kan worden waargenomen.
Hij heeft
dezelfde kleur als de zon,
wit,
maar vaak ook oranje of rood bij de lage
zonnestanden waarbij hij het meest wordt
waargenomen.
Circumzenitale boog, De Bilt.
Circumzenitale boog en zonshoogte.
Circumzenitale boog
1: Menno Hoekstra fotografeerde op 21
januari 2002 in Lillehammer een halo met
twee bijzonnen. Op dat moment er uit de
vrijwel wolkenloze
hemel kleine vlokjes poolsneeuw naar beneden. Tevens waren er
condensstrepen van vliegtuigen en enkele
licht wolken boven de horizon
zichtbaar
2: Lichtzuil boven de zon op 16 maart 2003
gefotografeerd door Jasper Schweppe.
3: Complexe halo precies op de geografische
Zuidpool in Antarctica met circum-zenitale
boog en de bogen van Parry en Tape.
Foto: G. Können, 2 januari 1998.
De zuil kan behalve door plaatjes ook
gevormd worden door zuiltjes, die zich in
eern stand als getoond in figuur 3 (midden)
bevinden. In ieder
geval moeten op deze
manier de zuilen bij hogere zonnestanden
worden verklaard, omdat plaatjes dan niet
meer tot de vorming van een zuil
in staat
zijn. Komt de zuil tegelijk voor met een
gedeelte van de bijzonnenring, dan zien we
een kruis
door de zon. Aan dit
haloverschijnsel werd
in het verleden
bijzondere, symbolische betekenis gehecht.
Een versterking van de lichtsterkte van de
zuil kan plaatselijk optreden, bijv. door
een toevallig voorbijtrekkende veel dichtere
cirruswolk. Het zonlicht wordt daar sterker
teruggekaatst dan elders het geval is, zodat
het lijkt alsof er
twee zonnen aan de hemel
staan.
Men spreekt dan van dubbele zon.
Frequentie van haloverschijnselen
De meeste van de beschreven haloverschijn-
selen kunnen regelmatig worden
waargenomen.
We beschikken over getallen voor het
gemiddeld aantal dagen per jaar waarop een
bepaald haloverschijnsel in ons land kan
worden gezien. Deze staan vermeld
in Tabel
2, samengesteld op grond van waarnemingen
verricht tussen 1918 en 1953.
In die tijd
was er in ons land een uitgebreid
net van vrijwillige waarnemers gevestigd.
Daardoor ontstond een verzameling
waarnemingsgegevens die uniek is in de
wereld.
Bij de verklaring van
haloverschijnselen moet men rekening houden
met de
in de tabel vermeIde resultaten.
Zo mogen halo's die regelmatig voorkomen
geen zeldzaam gevormde ijskristallen of
unieke atmosferische omstandigheden vereisen
en omgekeerd. De kleine kring, die zeer
vaak
voorkomt,
stelt dan ook geen hoge eisen: zowel
plaatjes als zuiltjes voldoen en
omdat
deze kristallen willekeurige standen mogen
innemen, behoeft de atmosfeer ook
niet
rustig te zijn. Men kan zich afvragen
waarom de kleine kring dan niet in alle
ijswolken voorkomt. Dat komt doordat niet
alle ijsbestanddelen een geschikte vorm
hebben.
Sneeuwsterretjes en bolvormig samengevoegde
kristallen breken het licht niet als een
prisma. Bij te kleine ijskristallen dooft
buiging de haloverschijnselen uit. Bovendien
verdampen de hoeken van de ijsprisma's het
eerst, zodat afgeronde vormen ontstaan
en de
ijskristallen in deze wolken niet langer als
prisma fungeren. Haloverschijnselen die
minder dan 5x per jaar voorkomen werden niet
in de tabel opgenomen.
De meeste besproken
haloverschijnselen zijn, met enkele andere,
samengevat in Fig. 1.
Ze worden, weergegeven
door een punt of een kromme,
die aangeeftwaar de lichtsterkte van het betrokken
haloverschijnsel het grootst is. De natuur
verschaft ons echter een zo grote rijkdom
aan haloverschijnselen
dat niet naar volledigheid gestreefd kon
worden. Hiervoor raadplege men de in de
literatuur genoemde boeken van Visser of
Tricker.
Halofamilies
Sommige haloverschijnselen vertonen zich
vaak gelijktijdig aan de hemel. Een
voorbeeld hiervan is de circumzenitale boog
en de bijzonnen aan
de kleine kring. Men
spreekt in zo'n geval van verwante halo's of
van halofamilies. De verklaring wordt
gevonden in het feit dat ze onder dezelfde
omstandigheden ontstaan; in ons voorbeeld
bij aanwezigheid van zwevende plaatjes in de
stand van Fig. 3a. Het verschaft tevens een
extra mogelijkheid om de bovenraakboog van
46 graden en de circumzenitale boog te
onderscheiden: als er tevens bijzonnen
voorkomen mag men
wel aannemen dat men te
doen heeft met een circumzenitale boog.
Het waarnemen van halo's
Om vaak halo's te zien moet men uiteraard
vaak naar de lucht kijken. Kijk echter nooit
in de zon; het is onaangenaam, slecht voor
de ogen en
men wordt verblind. Het beste kan
men de hand
voor de zon houden of op een
zodanige plaats gaan staan dat de zon achter
een boom, een schoorsteen of de punt van een
dak verdwijnt. Het zoeken naar haloverschijn-
selen heeft alleen zin
als er geschikte
bewolking aanwezig is: cirrostratus
(melklucht), cirrus (windveren), aambeelden
van cumulonimbuswolken (buien- en
onweerswolken) en cirrocumulus (kleinste
schaapjeswolken).
Deze wolken bevinden zich alle op grote
hoogte (gewoonlijk meer dan 5 km) en bestaan
uit ijskristallen, die voor de vorming van
halo's
noodzakelijk zijn. Het kunnen
herkennen van deze
bewolking maakt gericht
waarnemen mogelijk. Gebruik zo nodig de
wolkenatlas van het
KNMI om ermee vertrouwd
te raken.Verder is het van belang om te
weten waar de haloverschijnselen zich aan de
hemel kunnen voordoen.
Men kan het beste
beginnen met te zoeken naar de kleine kring;
hij is gemakkelijk te herkennen en is in 9
van de 10 gevallen dat er halo's te
zien
zijn aanwezig.
Kijk verder of er soms bijzonnen aan de
kleine kring zijn: ze komen vaak voor en
zijn door hun grote licht- sterkte en
kleurenrijkdom gemakkelijk te vinden.
De getallen uit Tabel 2 kunnen aanleiding
geven tot misverstanden. Ze zijn gebaseerd
op gegevens van ervaren waarnemers, die ook
weten
waar ze lichtzwakke, minder opvallende
haloverschijnselen moeten zoeken. Verder
zijn op de voor de tabel gebruikte halodagen
ergens in ons
land dergelijke halo's gezien.
Een tabel, die betrekking zou hebben op één
bepaalde plaats
in ons land zou dus zeker
kleinere getallen bevatten. Desondanks komen
er toch zo dikwijls halo's voor dat je je
afvraagt hoe het komt dat zovelen een derg
lijk verschijnsel nooit gezien hebben.
Wil men iets nauwkeuriger speuren naar of
rapporteren over haloverschijnselen, dan is
het noodzakelijk om hoeken te meten of te
schatten.
Men moet zich hierbij bewust zijn van
bepaalde moeilijkheden die iedereen
ondervindt bij het uitvoeren van dergelijke
schattingen. Zo doet het hemelgewelf zich
aan ons voor als een afgeplatte bol waardoor
zon en maan aan de horizon veel groter
lijken dan bij een hoge stand aan de
hemel.
Door dezelfde beoordelingsfout wordt de
kleine kring soms peervormig afgebeeld en
wel naar beneden toe ve lengd. Men overschat
dan de onderste helft t.g.v. de schijnbare
afplatting van het hemelgewelf.
Suggesties om dergelijke schattingsfouten op
eenvoudige wijze en met eenvoudige
hulpmiddelen te voorkomen of te verkleinen
bevatten de
n de literatuur genoemde boeken
van Minnaert en Visser. In ieder geval is
het volgende handig om te weten. De
schijnbare doorsnede van de
zon of de maan
bedraagt 0,5 graden (vergelijk de straal van
de kleine kring; 22 graden dus doorsnede
44
graden ). De plaats van de kleine
kring kan
als volgt gemakkelijk gevonden worden. Men
steekt zijn arm recht vooruit in de richting
van de zon en strekt de vingers van de hand
zodanig, dat de toppen van pink en duim zo
ver mogelijk van elkaar verwijderd zijn. De
straal van de kleine kring is dan iets
groter dan de afstand tussen die toppen.
Samengestelde halo, De Bilt.
1: Kleine kring vinden
2: Zuil
1: De plaats van de kleine kring kan als
volgt gemakkelijk gevonden worden. Men
steekt zijn arm recht vooruit in de richting
van de zon en
strekt de vingers van de hand zodanig, dat de toppen van pink en duim
zo ver mogelijk van elkaar verwijderd zijn.
De straal van de kleine
kring is dan iets
groter dan de afstand tussen die toppen
2: De zuil is een vertikale lichtstreep of
licht- pluim die zowel boven als onder de
zon kan worden waargenomen.
Fotograferen van halo's
Waarnemen van halo's schenkt nog meer
voldoening in combinatie met het
fotograferen ervan. Steeds moet men er voor
zorgen dat de zon
is afgedekt en de opnamen
enigszins worden onderbelicht. Bij gebruik
van groothoeklenzen krijgt men een groter
gedeelte van de hemel op
de foto.
Om een volledige kleine kring op een dia te
krijgen is een objectief vereist met een,
brandpuntafstand van 28 mm of minder.
Met
zgn. fish-eye lenzen kunnen ook uitgebreider
haloverschijnselen worden gefotografeerd,
maar deze objectieven zullen meestal buiten
het
bereik van de amateur liggen.
Wil men toch een groot gedeelte van de hemel
in beeld krijgen, dan kan een ronde kerstbal
gebruikt worden.
De uitbreiding van het
gezichtsveld brengt vervorming met zich mee,
maar dat geldt m.i. nie:t alleen voor deze
goedkope oplossing.
Haloverschijnselen en volkswijsheid over het
weer
De kleine kring staat bekend als voorbode
van slecht weer: regen en/of storm. In de
volkswijsheid over het weer vindt men dat
terug:
- kring om de zon, water in de ton;
- kring om de maan kondigt regen aan.
Nog bekender is een gecombineerde vorm, die
echter het bovenstaande gedeeltelijk
tegenspreekt:
- kring om de maan, dat zal wel gaan
- kring om de zon huilen vrouwen kinderen
om.
Afgezien van die onderlinge tegenspraak is
ook niet in te zien waarom een kring om de
zon een andere betekenis zou moeten hebben
dan een
kring om de maan. De kring van 22 graden
geldt
ook als voorbode van regen in:
- hoe groter de kring, hoe dichterbij de
regen.
Men bedoelt hiermee dat de kring van 22
graden regen aankondigt, de krans niet. De
krans bestaat uit een of meer gekleurde
ringen in de onmiddellijke nabijheid van de
zon of de maan en
behoort niet tot de
haloverschijnselen. Misschien berust de
bovengenoemde onderlinge
tegenspraak in een
van de weerregels eveneens op het feit dat
in die regels de krans en de kring soms
beide 'kring' genoemd worden.
Overigens is het verband dat gelegd wordt
tussen kringen en regen of storm wel
begrijpelijk. Warmtefronten, die voor en
tijdens hun passage
regen kunnen brengen,
kondigen zich in de bovenlucht meestal aan
door cirrus of cirrostratus. Behoort he:t
warmtefront bij een depressie
waarvan de
baan in de buurt van ons land of van de
Noordzee ligt, dan is ook de koppeling met
storm duidelijk. Men kan deze zaken echter
niet omkeren, met andere woorden halo's
kondigen niet noodzakelijkerwijze regen of
storm aan. Onderzoekingen toonden dit aan.
Wel lieten
zij de mogelijkheid open dat zeer
duidelijk waarneembare lichtsterke kringen
vaker gevolgd worden door regen dan
gemiddeld. Dit zou kunnen samenhangen met
het feit dat het geleidelijk dikker wordende cirrostratusdek, dat aan de passage van het
warmtefront voorafgaat, kennelijk
zeer
geschikt is voor het zich ontwikkelen van
lichtsterke, langdurig zichtbare kringen.
Moge de volkswijsheid niet geheel uit de
lucht zijn
gegrepen, de betekenis voor de
weersverwachting is uiterst gering en kan
gerust verwaarloosd worden.
halo van Parijs in 1233.
Midden: Halo (plaats en jaar onbekend).
Stockholm
Rechts: De Stockholmse halo van 20 april
1535 naar een schilderij in de Grote Kerk te
Stockholm.
Literatuur:
Minnaert, M., 1969. De natuurkunde van het
vrije veld, Zutphen. (halo's: deel 1;
wolken: deel 2; hoekmetingen: deel 3).
Scorer, R., 1972. Clouds of the world,
Lothian Publ. Co. Melbourne I David and
Charles, Newton Abbot.
Tricker, R. A. R., 1970. Introduction to
Meteorological Optics, London.
Visser, S. W., 1957. Optische verschijnselen
aan de hemel, Den Haag.
Bronvermelding illustraties:
R. Scorer, pag. 366-367, 370-371 onder, 374
links, 378 rechtsboven en linksonder, 379,
381.
E. Schulthess, pag. 364-365, 375.
D. 0. Staley, pag. 377.
Stadsmuseum Stockholm, pag. 382.
Bronnen: Kees Floor, Natuur en Techniek, juni
1977; Laatste wijziging: 1 juni 2006.
