Halo’s: ontstaan

IJskristallen
Het kristal van water in vaste vorm heeft de regelmatige zeshoek, het hexagon, als basisvorm. Die vorm is te herkennen in alle kristalvormen van ijs. In de atmosfeer komen ijskristallen veelvuldig voor, als bevroren eindprodukt van eerder tot kleine druppeltjes gecondenseerde waterdamp. Deze kristalletjes zijn over het algemeen kleiner dan een tiende millimeter en eenvoudig van vorm. In beginsel zijn twee hoofdvormen te onderscheiden: zuiltjes en plaatjes. Zuiltjes hebben de vorm van een potlood zonder punt: ze zijn langwerpig met een zeskantige doorsnede en rechte uiteinden. Plaatjes hebben een platte zeskantige vorm met rechte zijkanten. Door hun vorm neigen de ijskristallen in de lucht naar een zweefstand waarbij de meeste luchtweerstand wordt ondervonden. Dat is een horizontale voorkeursoriëntatie. De vlakken van de zeskanten liggen bij de zuiltjeskristallen dan horizontaal en bij de plaatjes verticaal.

Afbeelding 1 -- IJskristallen en lichtbreking.
a b c	Zuiltjes en plaatjes; de basisvormen van ijskristallen hebben alle brekende hoeken van 60 en van 90 graden. De reguliere vormen en daaronder hun varianten met extra kristalvlakken onder afwijkende hoeken. Links een aantal ijskristallen die werden verzameld tijdens een halo in ijsmist op Antarctica. Breking en kleurschifting van een straal wit licht die door een prisma valt.

60 en 90 graden maken 22 en 46 graden
De zeskantvlakken van de ijskristalletjes noemen we prismavlakken en de vlakke uiteinden worden basisvlakken genoemd. In de kristalletjes staan de prismavlakken onder een hoek van 120 graden ten opzichte van elkaar. Dat levert brekende hoeken van 60 graden op. Die zijn de belangrijkste voor het ontstaan van de algemene halovormen op ongeveer 22 graden van de zon. Prismavlakken staan onder een hoek van 90 graden ten opzichte van basisvlakken. Deze brekende hoeken van 90 graden leveren andere halovormen op die wat verder van de zon af staan, op circa 46 graden afstand.
In zeldzame gevallen hebben de ijskristalletjes geen rechte uiteinden, maar zijn er schuine facetten aan de prismavlakken verbonden waardoor de kristaluiteinden een piramide-achtige vorm krijgen. Die schuine facetten kunnen onder diverse hoeken staan. Als ijskristaklletjes deze bijzondere bouw hebben komen ook andere brekende hoeken in het spel dan alleen die van 60 en 90 graden. Dat komt tot uiting in afwijkende afmetingen van de halo's die erdoor worden veroorzaakt.

Afbeelding 2
Lichtdoorgang door de schuine vlakken van een ijskristal met afwijkende brekingshoeken. Door zijn vorm blijft dit kristal vanzelf in horizontale positie zweven.


Tientallen halovormen
Lichtstralen van de zon ondervinden allerlei effecten van spiegeling en lichtbreking in en op de ijskristalletjes. Zij worden uitwendig en inwendig weerkaatst, en de lichtstralen worden gebroken en in kleuren geschift als zij door het kristal heen gaan. Bij de doorgang in het kristal kunnen ook aanvullende interne weerkaatsingen plaatsvinden voordat de gebroken lichtstraal weer uit het kristal treedt. Deze effecten leiden bij zuiltjes- en plaatjeskristallen tot kristalspecifieke groepen halovormen. Een ander onderscheid in halogroepen wordt bepaald door het al of niet in beweging zijn van de ijskristalletjes. Dat hangt samen met hun aërodynamische eigenschappen. Zij kunnen in ruststand zweven, maar ook schommelen, wat leidt tot bepaalde andere halovormen.
Al deze interacties werken zowel voor de brekende hoeken van 60 graden als die van 90 graden, en, in de voorkomende gevallen, voor die afwijkende brekingshoeken. Er zijn dan ook vele tientallen halovormen mogelijk en ook gezien. Een aantal vormen zijn wel berekend maar voor zover bekend nog nooit waargenomen. Ongeveer tien halovormen zijn min of meer regelmatig te zien (zie onder Halo's), de overige zijn zelden tot vrijwel nooit gezien. Ook in ons land zijn veel van al die halovormen wel eens waargenomen, zij het in de meeste gevallen fragmentarisch.

Afbeelding 3 -- Enkele groepen haloverschijnselen.

a b c d e f

Kring van 22 graden in ongeoriënteerde kristallen met brekingshoek van 60 graden; Kring van 22 graden met bijzonnen en bovenraakboog; een halo in zowel georiënteerde als ongeoriënteerde kristallen met brekingshoek van 60 graden; Bovenraakboog van 22 graden, bovenzijdelingse raakboog van 46 graden en circumzenitale boog; halo in georiënteerde kristallen met brekingshoeken van zowel 60 als 90 graden;     Kringen van 22 graden, 9 graden en 18 graden; halo's met ongewone straal in ongeoriënteerde kristallen met brekingshoeken van 60 graden en een aantal andere hoeken die afwijken van 60 of 90 graden; Bijzon en bovenraakboog van 22 graden en de parhelische ring; een halo in georiënteerde kristallen met brekingshoek van 60 graden, en met reflectie van lichtstralen in verticaal staande kristalvlakken; Zuil boven en onder de zon; halo door spiegeling van lichtstralen in horizontaal georiënteerde kristalvlakken.

auteur: Peter Paul Hattinga Verschure

Zie ook:
Halo's
Halo's, fotografie
Kringen en kransen om de zon en maan
Website: Atmospheric Optics
Richtlijnen