…Lichtkunst durch Eiskristalle am Himmel
Haloeffekte entstehen durch Brechung oder Reflexion des Sonnenlichtes an Eiskristallen. Dabei gibt es je nach Form / Einregelung der Kristalle und des Sonnenstandes eine ganze Gruppe verschiedener Phänomene. Haloeffekte sind dabei nicht nur schön anzusehen, sondern sind immer auch ein Ausdruck des Atmosphärenzustandes. In diesem Artikel stelle ich die am häufigsten auftretenden Phänomene vor und zeige wie sie zustande kommen.
22°-Ring, Nebensonne, Horizontalkreis und eine schwache Lichtsäule
(Quelle: ©JT Fisherman - stock.adobe.com)
Inhaltsverzeichnis
Haloeffekte im Überblick
Die verschiedenen Haloeffekte bestehen aus Kreisen, Säulen, Bögen oder Lichtflecken. Hier erst mal einen Überblick über die am häufigsten auftretenden Phänomene:
Quelle: bearbeitet aus Michael Glanznig (Mglanznig) - own work according to Häckl, Hans: "Farbatlas Wetterphänomene", Ulmer, 1999, CC BY-SA 2.0 at, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=542154
Wichtig: Nie direkt in die Sonne schauen! Mache dazu lieber rasch ein Foto mit dem Handy!
Wie entstehen Haloeffekte?
Die Ringe, Säulen, usw. entstehen, ähnlich wie beim Regenbogen (siehe Artikel Regenbogen), durch Brechung und Reflexion des Sonnenlichtes. Nur sind bei den Haloeffekten keine Regentropfen, sondern Eiskristalle.
Eiskristalle findet man in den folgenden Wolkengattungen:
Hohes Stockwerk (5-13km): Die Wolken bestehen praktisch nur aus Eiskristallen. Die Wolkengattungen dieser Höhe sind Cirrus (Wolken schleierförmig), Cirrocumulus (Wolken haufenförmig) und Cirrostratus (Wolke schichtförmig).
Mittleres Stockwerk (2-7km Höhe): In den Wolken kommen sowohl (unterkühlte) Wassertröpfchen, als auch Eiskristalle vor. Die zwei Wolkengattungen dieser Höhe sind Altocumulus (Wolken haufenförmig) und Altostratus (Wolke haufenförmig).
Unteres Stockwerk (<2km): Die Wolken bestehen eigentlich nur aus Wassertröpfchen. An sehr kalten Tagen in Winter kann es aber vorkommen, dass sich Eiskristalle in einer Stratuswolke (Hochnebel) befinden.
Haloeffekte findet man vor allem bei Cirrostratus-Bewölkung. Da eine Cirrostratus-Schicht meist unscheinbar oder sogar unsichtbar ist, verraten oft erst die Haloeffekte ihr Vorhandensein. Bei Cirren findet man Haloeffekte nur selten und auch dann meist nur unvollständig ausgebildet. Aus den Wolken des mittleren Stockwerkes fehlen Haloeffekte ganz. Selten treten Haloeffekte bei Stratus auf und zwar wenn sehr tiefe Temperaturen herrschen und die Sonne durchscheinen kann.
Cirrostratus nebulosus (ausgedehnter und durchsichtiger milchiger Schleier) mit einem 22°- Ring («Kleiner Haloring»):
(Quelle: Mitchell Underwood - Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=99843640)
Grösse und Form der Eiskristalle: Die Eiskristalle in der Cirrostratus-Wolken (bzw. der Cirrus) sind meist zwischen 10-100 μm gross. Die Form ist je nach der Temperatur und Luftfeuchtigkeit, die während der Bildung geherrscht hat, sowie der Wachstumsgeschwindigkeit unterschiedlich. In den Verhältnissen, wie man sie im hohen Stockwerk vorfindet, bilden sich vor allem hexagonale (6-eckige) Plättchen oder Säulen.
In den Wolken des hohen Stickwerkes findet man Eiskristalle mit der Form von 6-eckigen Plättchen oder 6-eckigen Säulen
Einregelung der Eiskristalle: Ein wichtiges Kriterium für die Haloeffekte ist die Einregelung der Kristalle. Dabei spielen sowohl die Strömungsverhältnisse, als auch die Kristallgrösse eine Rolle. Ist eine turbulente Luftströmung vorhanden, dann sind die Eiskristalle durch die Verwirbelung chaotisch angeordnet, dh. die Kristallachsen weisen alle möglichen Richtungen auf. Bei laminarer Strömung (ohne Wirbel im Luftstrom) regeln sich die Kristalle in Richtung des maximalen Luftwiederstandes ein. Die Achsen der Plättchen ist dann meist vertikal, bzw. der Säulen waagrecht angeordnet. Kleine Kristalle bis 25 μm Durchmesser regeln sich aber auch bei Windstille praktisch nicht ein.
Brechung und Reflexion an den Eiskristallen: Ein Sonnenstrahl, der auf einen Eiskristall trifft, wird immer zweimal gebrochen (Doppelbrechung): Das erste Mal (beim Eintritt) zum Lot hin und das zweite Mal (beim Austritt) wieder vom Lot weg. Ein Teil des Lichtstrahls wird aber auch jeweils an den Grenzflächen reflektiert. Bei der Reflektion entspricht der Austrittswinkel (αR) immer dem Einfallswinkel (αR = αE). Mit zunehmend flacherem Einfallswinkel steigt der prozentuale Anteil des reflektierten Lichtes gegenüber dem gebrochenen Licht.
Brechung und Reflexion zwischen zwei parallelen Flächen eines Eiskristalls
Im obigen Beispiel mit zwei parallelen Flächen, hat der aus dem Eiskristall austretende Lichtstrahl die gleiche Richtung vor dem Eintritt, denn die zwei Brechungen heben sich quasi auf.
Bei der Form der 6-eckigen Eiskristallen (Plättchen oder Säulen) kann es aber auch vorkommen, dass die zwei Flächen, an denen der Lichtstrahl gebrochen wird, nicht parallel sind (siehe untere Grafik):
60°-Brechung: Der Lichtstrahl tritt an einer Mantelfläche ein und an der übernächsten Mantelfläche wieder aus. Es resultiert beim austretenden Lichtstrahl eine Ablenkung von 22°. Der Name «60°-Brechung» kommt daher, dass die zwei Mantelflächen gegeneinander um 60° angeordnet sind
90°-Brechung: Der Lichtstrahl tritt an einer Mantelfläche ein und an einer Grundfläche wieder aus. Das Ganze kann auch umgekehrt sein (Eintritt in der Grundfläche, Austritt an einer Mantelfläche). Es resultiert beim Lichtstrahl am Ende eine Ablenkung von 46°. Der Name «90°-Brechung» kommt davon, dass Grundfläche und Mantelfläche immer um 90° gegeneinander angeordnet sind.
Ein Teil der Lichtstrahlen wird ausserdem sowohl an den Grundflächen, als auch Mantelflächen reflektiert.
Der Ablenkwinkel ist eigentlich nicht konstant, sondern abhängig vom Einfallswinkel αE. Über einen grossen Bereich liegt er jedoch ungefähr den 22° / 46°. Bei ganz steilem oder flachem Einfallswinkel, nimmt die Ablenkung aber deutlich jedoch zu.
Farbdifferenzerung: Oft sieht man bei den Haloeffekten eine Farbmuster. Dies hat damit zu tun, dass die unterschiedlichen Farbanteile des Sonnenlichtes unterschiedlich stark gebrochen werden. Das Sonnenlicht besteht aus einer Mischung aller möglichen Farben und ist dadurch weiss. Dessen blauen Anteile weisen die niedrigsten Wellenlängen auf und werden am stärksten gebrochen. Demgegenüber werden die roten Anteile, mit den höchsten Wellenlängen, am wenigsten stark abgelenkt.
Spektrum des sichtbaren Lichtes
(Quelle: Horst Frank / Phrood / Anony - Horst Frank, Jailbird and Phrood, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3726606)
blaues Licht wird am stärksten, rotes Licht am schwächsten gebrochen
Quelle: TadejMe - Eigenes Werk, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=40450486
Kränze: Nicht zu den Haloeffekten gehören Kränze. Dabei handelt es sich, ähnlich wie der 22°-Haloring, ebenfalls um farbige Ringe, die sich um die Sonne (oder den Mond) anordnen. Sie entstehen aber durch einen anderen Mechanismus und zwar der Beugung des Lichtes in (flüssigen) Wolkentröpfchen. Kränze bilden sich deshalb v.a. in den Wolken des unteren und mittlerern Stockwerks (mehr zu den Kränzen hier)
22°- Ring, Nebensonne und Berührungsbogen (60°-Brechung)
22°- Ring, Nebensonne und Berührungsbogen sind Phänomene, welche durch die «60°- Brechung», d.h. Brechungen an jeweils zwei Mantelflächen entstehen. Welches Phänomen sind genau ausbildet ist abhängig von der Einregelung der Kristalle:
Achsen chaotisch angeordnet: 22°- Ring
Achsen der Plättchen vertikal eingeregelt: Nebensonne
Achsen der Säulen waagrecht eingeregelt: Berührungsbogen
22°- Ring («Kleiner Haloring»): Beim 22°- Ring sind die Achsen der Eiskristalle zufällig angeordnet. Dabei wird das Licht in alle möglichen Richtungen um jeweils 22° abgelenkt. Aus all den Lichtstrahlen, die unser Auge erreicht, sehen wir dann einen Kreis. Durch Unterschiede im Brechungsindex zwischen den verschiedenen Farbenteilen, entstehen Farbringe. Rot, dass am schwächsten gebrochen wird, ist dabei ganz innen. Nach aussen hin scheint der Ring auszuschweifen. Bei diesem Schweif handelt es sich um die Lichtstrahlen, die beim Eintritt in den Eiskristall einen besonders flachen Winkel aufgewiesen und damit eine stärkere Brechung (>22°) erfahren haben. Die weisse Farbe des Schweifs kommt davon, dass sich unterschiedliche Farbanteile mit jeweils unterschiedlichem Einfallswinkel (und somit Ablenkwinkel) überlagern. 22°- Ringe sind gemäss dem Arbeitskreis Meteore e.V. (meteoros.de) in Deutschland an 80 bis 120 Tagen pro Jahr zu beobachten!
22°- Ring («Kleiner Haloring»)
Quelle Yosrush - Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=98665915
Jeder Punkt des Ringes stellt ein anderer Eiskristall dar.
Quelle: RCraig09 - Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=92182936
Nebensonne: Die Achsen der Plättchen sind durch eine laminare Luftströmung jeweils vertikal orientiert. Die Ablenkung geschieht entweder 22° nach rechts oder 22° nach links. Somit konzentriert sich das gebrochene Licht an zwei Punkten (Nebensonnen) links und rechts der Sonne. Weil die roten Lichtanteile am wenigsten stark gebrochen werden, ist die Nebensonne auf der Innenseite rötlich gefärbt. Der weisser Schweif nach aussen hin bildet sich, weil gewisse Lichtstrahlen auch mit flachem Winkel auf die Eiskristalle auftreffen und so stärker gebrochen werden. Nebensonnen sind gemäss dem Arbeitskreis Meteore e.V. (meteoros.de) in Deutschland an 60 bis 80 Tagen pro Jahr zu beobachten!
Ist die Luftströmung laminar und sind sowohl grosse (eingeregelte), als auch kleine (nicht eingeregelte) Eiskristalle vorhanden, dann erscheinen sowohl Nebensonnen, als auch ein 22°-Ring.
Nebensonnen mit roter Färbung innen und einem weissen Schweif nach aussen
Quelle: steste, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=51837483
Die Nebensonnen befinden sich normalerweise auf dem 22°-Ring, doch ab einem Sonnenstand von mehr als 32°, verschieben sie sich zunehmend nach aussen. Man spricht dann von der verschobenen Nebensonne. Dieser Effekt entsteht, weil die Lichtstrahlen dann generell mit flachem Winkel auf die Eiskristalle treffen und dadurch auch mehrheitlich eine Ablenkung von mehr als 22° erfahren. Der flache Einfallswinkel führt ausserdem dazu, dass ein hoher Lichtanteil reflektiert wird, wodurch die verschobene Nebensonne gegenüber der «normalen» Nebensonne etwas schwächer ist.
Verschobene Nebensonne mit roter Färbung innen und einem weissen Schweif nach aussen
Famartin - Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=58156794
Berührungsbogen: Dieser ist etwas breiter als der 22°-Ring, berührt diesen aber oben und unten. Bei niedrigem Sonnenstand ist nur der obere und untere Bereich sichtbar, weshalb man vom Oberen- und Unteren Berührungsbogen spricht. Ein durchgezogener Kreis bei hohem Sonnenstand wird auch «Umschriebener Halo» genannt. Berührungsbogen entstehen, wenn aufgrund laminarer Luftströmung die Achsen säulenförmiger Eiskristalle horizontal ausgerichtet sind.
22°- Ring mit einem oberen Berührungsbogen und verschobenen Nebensonnen (inkl. Horizontalkreis, siehe später). Diese Kombination bedeutet: flacher Sonnenstand, laminare Luftströmung mit grossen eingeregelten Säulen und Plättchen, sowie zusätzlich chaotisch orientierte kleine Einkristalle.
(Quelle: ©Gudellaphoto - stock.adobe.com)
Die Berührungsbögen werden mit höherem Sonnenstand schmaler, gleichzeitig aber auch länger, so dass sie sich ab ca. 32°-Sonnenhöhe zum «Umschriebenen Halo» vereinigen. Die Bögen werden ausserdem mit dem zunehmenden Sonnenstand auch immer schmaler. Eine anschauliche interaktive Grafik zu den Berührungsbögen findet man auf meteoros.de. Die Geometrie, die zur Entstehung der Berührungsbögen führt ist leider sehr kompliziert. Nebensonnen sind gemäss dem Arbeitskreis Meteore e.V. (meteoros.de) in Deutschland an 20 bis 30 Tagen pro Jahr zu beobachten!
46°- Ring und Zirkumzenithalbogen (90°-Brechung)
46°- Ring und Zirkumzenithalbogen sind Phänomene, die durch eine «90°- Brechung» entstehen. Welches Phänomen sind genau ausbildet ist abhängig von der Einregelung der Kristalle und der Position der Sonne:
Achsen chaotisch angeordnet: 46°- Ring
Achsen der Plättchen vertikal eingeregelt: Zirkumzenithalbogen (bei flachem Sonnenstand) oder Zirkumhorizontalbogen (bei steilem Sonnenstand)
46°- Ring («Grosser Haloring»): Beim 46°- Ring sind die Achsen der verschiedenen Kristalle chaotisch angeordnet. Dabei wird das Licht in alle möglichen Richtungen stets um 46° gebrochen. Wie beim 22°-Ring ist der innere Bereich rot (rote Farbe wird am schwächsten gebrochen) und nach aussen schweift der Rand aus (stärkere Brechung der Sonnenstrahlen, die flach auf die Eiskristalle auftreffen). Der 46°-Ring ist deutlich seltener und lichtschwächer als der 22°-Ring. Dies liegt daran, dass eine entsprechende 90°-Brechung nur bei flachem Einfallswinkel erfolgen kann, wo zusätzlich ein grosser Teil des Lichtes reflektiert wird. Ausserdem ist die Dicke des Kreises etwas grösser, wodurch sich das Licht auf eine grössere Fläche aufteilt. 46°- Ringe sind gemäss dem Arbeitskreis Meteore e.V. (meteoros.de) in Deutschland an 4 bis 10 Tagen pro Jahr zu beobachten!
Aussen der 46°- Ring und innen der schmalere 22°- Ring (mit einem oberen Berührungsbogen)
Quelle: Nasko - Own work, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=5758279
Zirkumzenithalbogen: Sind die Achsen der grösseren Plättchen durch eine laminare Luftströmung horizontal angeordnet, dann ist der Einfallswinkel von Lichtstrahlen, die auf die obere Grundfläche treffen, immer derselbe. Somit wird jeder Lichtstrahl um 46° nach unten abgelenkt. Es ändert nur die horizontale Richtung, die davon abhängig ist wie genau die Mantelfläche der zweiten Brechung orientiert ist. Aus der Kombination unzähliger Eiskristalle ergibt sich dabei einen um den Zenit verlaufenden Halbkreis. Ab einem Sonnenstand von >32° wird der Einfallswinkel jedoch zu steil, so dass keine 90°-Brechung und damit auch kein Zirkumzenithalbogen mehr auftreten kann.
Die Farbaufspaltung ist beim Zirkumzenithalbogen sehr intensiv. Der Grund liegt hierzu liegt am kontanten Einfallswinkel, der wiederum ein konstanter Ablenkwinkel zur Folge hat. Dadurch können sich keine unterschiedliche Farbringe von unterschiedlichen Ablenkwinkeln überlagern.
Zirkumzenithalbögen sind gemäss dem Arbeitskreis Meteore e.V. (meteoros.de) in Deutschland an 20 bis 30 Tagen pro Jahr zu beobachten! Ein Zirkumzenithalbogen tritt oft zusammen mit der Nebensonne auf und zwar weil ja dieselben Bedingungen herrschen müssen (laminare Luftströmung mit entsprechender Einregelung grösserer Plättchen).
Zirkumzenithalring, der in Mitte den 46°- Ring berührt
Quelle: Rudy23 - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=22975403
Bei sehr steiler Sonne (>56°), was bei uns nur im Hochsommer um die Mittagszeit der Fall ist, kann sich bei eingeregelten Plättchen ein Zirkumhorizontalbogen bilden. Eine 90°-Brechung ist dann wieder möglich und zwar indem das Licht aus einer Mantelfläche eintritt und an der unteren Grundfläche wieder austritt. Dabei wird das Licht nach oben abgelenkt, wodurch sich ein Halbkreis nahe am Horizont ausbildet.
Zirkumhorizontalbogen nahe am Horizont
Quelle: Adacrombie - Own work, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=19647608
Horizontalkreis (Reflexion an vertikaler Fläche)
Der Horizontalkreis entsteht durch Reflexion des Lichtes an den Mantelflächen vertikal eingeregelter Plättchen oder Grundflächen waagrecht angeordneten Säulen. Die Ablenkung erfolgt dabei immer horizontal auf die Seite. Der Ablenkwinkel ist dabei von der Ausrichtung der (vertikalen) Fläche abhängig. Durch unterschiedliche Ablenkwinkel von unzähligen Eiskristallen ergibt sich daraus ein horizontal ausgerichteter Kreis. Eine Farbaufspaltung findet nicht statt, da sich die verschiedenen Farbanteile unterschiedlicher Ablenkungswinkel stets überlagern. Horizontalkreise sind gemäss dem Arbeitskreis Meteore e.V. (meteoros.de) in Deutschland an 5 bis 10 Tagen pro Jahr zu beobachten!
Horizontalkreis (und Nebensonne)
Quelle: Commander John Bortniak, NOAA Corps - http://www.photolib.noaa.gov/htmls/corp1608.htm Image ID: corp1608, NOAA Corps Collection, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=406349
Lichtsäule und Untersonne (Reflexion an horizontaler Fläche)
Diese Phänomene entstehen durch Reflexion des Sonnenlichtes an den Grundflächen der Kristalle.
Achsen chaotisch angeordnet: Lichtsäule
Achsen der Plättchen vertikal eingeregelt: Untersonne
Lichtsäule: Hier geht es um die Lichtstrahlen, die auf die obere Grundfläche treffen und dort reflektiert werden. Je nachdem wie der einzelne Eiskristall (Plättchen oder Säule) eingeregelt ist, ist die Ablenkung des Lichtstrahls stärker oder schwächer, jedoch stets vertikal nach oben ausgerichtet. Aus der Kombination unzähliger Eiskristalle mit unterschiedlichem Ablenkungswinkel, ergibt am Himmelgewölbe ein senkrechter Lichtstrahl, der von der Sonne aus vertikal zum Boden hin verläuft (Untere Lichtsäule)
Bei flachem Sonnenstand (bei Sonnenauf- oder untergang) können auch Lichtstrahlen unser Auge erreichen, die an der unteren Grundfläche reflektiert und so nach unten abgelenkt wurden. Dabei bildet sich eine Lichtsäule, die von der Sonne aus vertikal in die Höhe verläuft (Obere Lichtsäule).
Lichtsäulen sind gemäss dem Arbeitskreis Meteore e.V. (meteoros.de) in Deutschland an 2 bis 8 Tagen (Untere Lichtsäule), bzw. 20 bis 30 Tagen (Obere Lichtsäule) pro Jahr zu beobachten.
Lichtsäule
(Quelle: ©Hanna - stock.adobe.com)
Untersonne: Sind bei laminarer Luftströmung die Kristallachsen der Plättchen vertikal ausgerichtet, dann wird das Sonnenlicht stets an der oberen Grundfläche reflektiert. Die Lichtstrahlen werden so alle in dieselbe Richtung (nach oben) abgelenkt, wodurch sich unterhalb des Horizontes ein Spiegelbild der Sonne ergibt. Für dieses Phänomen sind Eiskristalle in Bodennähe notwendig und deshalb treten Untersonnen nur bei sehr kalten Temperaturen (wenn im Nebel Eiskristalle vorhanden sind) auf.
Die Untersonne befindet sich unter dem Horizont und entsteht an sehr kalten Tagen mit Eisnebel
Quelle: Derrellwilliams - Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=92028382
Ist nur ein Teil der Eiskristalle eingeregelt, dann bildet sich sowohl eine Lichtsäule, als auch eine Untersonne. Tritt sowohl eine Lichtsäule, als auch ein Horizontalkreis auf, dann bildet sich ein Kreuz, welches von gewissen Leuten gerne mal als «Zeichen Gottes» interpretiert wird.
“Kreuz Gottes”
Quelle: Bini Ball - Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=126199111
Quellen
Michael Vollmer (2016) - Atmosphärische Optik für Einsteiger, Lichtspiele in der Luft, 2. Auflage, ISBN 978-3-662-58362-3 (eBook)
Hans Häckel (2016) - Meteorologie, 8. vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage, ISBN 978-3-8463-4603-7 (eBook)
Hans Häckel (2007) - Wetter & Klimaphänomene, 2. völlig neu bearbeitete Auflage, ISBN 978-3-8001-5414-2
