Halové jevy

Výskyt ledových krystalů 

Ledové krystaly, které dávají vzniknout halovým jevům, se v ovzduší nacházejí jednak ve vysoké řasovité oblačnosti, případně v přízemní vrstvě ovzduší během zimních měsíců. 

S halovými jevy vznikajícími v oblačnosti vysokého patra (druh oblaků cirrostratus, cirrus) se můžeme setkat celoročně, protože ve vyšších vrstvách troposféry panují i v létě mrazivé teploty. Tímto druhem oblačnosti Slunce vcelku dobře prosvítá. Řasovitá oblačnost vzniká ve výškách zhruba od 6 km nad povrchem. Je charakteristická bělavými závoji, příp. jemnou vláknitou strukturou a typicky se vyskytuje před příchodem teplé fronty jako předzvěst nasunutí další níže položené oblačnosti z vodních kapiček, a tedy případného zhoršení počasí a srážek.

Naproti tomu v přízemní vrstvě ovzduší se s ledovými krystaly setkáváme v zimních měsících při vysoké vlhkosti vzduchu a mrazivých teplotách, např. v okolí lyžařských areálů při umělém zasněžování. Taková forma poletujících ledových krystalů nese příhodné označení „diamantový prach“. 

Tvary krystalů

Na rozdíl od optických jevů vznikajících na sférických vodních kapkách (např. duhy), nabývají halové jevy rozmanitější vzhled. Za růzností druhů halových jevů stojí tvary ledových krystalů. 

Skutečné ledové krystaly se často liší od ideálních tvarů a mohou nabývat tvarů srostlic (např. rozšíření v oblasti podstav) nebo mohou krystaly obsahovat dutinky. To vše má vliv na jednotlivé pozorovatelné druhy halových jevů. Obecně jejich výskyt ovlivňují přítomné tvary ledových krystalů, jejich orientace v prostoru a výška Slunce (nebo jiného světelného zdroje) nad obzorem. 

Zdroje světla pro halové jevy

Zopakujme, že nejčastěji je pro vznik halových jevů světelným zdrojem Slunce či Měsíc, v noci lze halové jevy vzácně pozorovat i díky umělým zdrojům světla (pouliční osvětlení, světlomety apod.).  Zatímco Slunce a Měsíc lze při vzniku halových jevů považovat za světelné zdroje, jejichž paprsky vstupují do zemské atmosféry rovnoběžně, u blízkých zdrojů světla je třeba zohlednit také jejich vzdálenost – některé tvary halových jevy se v jejich případě výrazně liší.

Princip vzniku halových jevů

Halové jevy mají na obloze vzhled bělavých či spektrálně zbarvených oblouků, skvrn či kruhů. Při lomu paprsků uvnitř krystalu vykazují díky různému indexu lomu světla pro různé vlnové délky barevný (spektrální) nádech, přičemž červená barva směřuje ke zdroji světla. Naopak ty jevy, při kterých dominuje odraz světla od stěn nebo podstav krystalu, mají bělavý nádech, resp. zrcadlí barvu zdroje světla. 

Při průchodu světla stěnami šestibokého ledového krystalu kolmo na krystalovou osu jsou vystupující paprsky koncentrovány dle principu minimální odchylky nejvíce kolem 22 °, ostatní paprsky jsou pak odchylovány více. V tomto případě, kdy paprsek vstupuje jednou stěnou a vystupuje ob jednu stěnu dále, se jedná o lom s lámavým úhlem 60°. Tato situace je znázorněna na schématu níže vlevo.  Lámavý úhel 120 ° mezi dvěma sousedními stěnami nehraje v tomto případě významnou roli, neboť při pokusu o výstup z krystalu je příslušný paprsek odražen do těla krystalu – dochází k totálnímu odrazu.  

Obdobně, druhý hlavní možný případ průchodu světelného paprsku představuje lom na lámavém úhlu 90 °.  Jde o paprsky vstupující do krystalu podstavou a vystupující stěnou (resp. opačný chod). V takovém případě dle principu minimální odchylky nastává koncentrace vystupujících paprsků nejvíce kolem úhlu 46 °. 

Od uvedených případů chodu paprsků se odvíjí vysvětlení vzniku malého (22 °) a velkého (46 °) hala, resp. dotykových oblouků. V případě pyramidových zakončení podstav ledových krystalů přichází v úvahu další možnosti průchodu paprsků a tedy i hodnoty velikosti úhlů minimálních odchylek (jim odpovídající poloměry tzv. pyramidálních hal jsou uvedeny v tabulce 1). V případě komplikovaného chodu paprsků s více vnitřními odrazy pak vznikají méně časté halové jevy. 

Přehled halových jevů

S některou z forem halových jevů se může pozorovatel setkat zhruba třetinu dní v roce, často jde však o slabší jev, který může navíc trvat jen krátce. V závislosti na přítomnosti jednotlivých druhů a orientaci ledových krystalů můžeme pozorovat jeden či více halových jevů současně. I na jednom druhu krystalu v jediné orientaci lze pozorovat více halových jevů (např. na vodorovně orientovaných destičkách vznikají vedlejší slunce, parhelický kruh, cirkumzenitální oblouk aj.). Občas jsou však v atmosféře přítomny různé druhy krystalů v různých specifických orientacích a pak lze zahlédnout i velmi složitý úkaz s mnoha druhy halových jevů současně. 

Malé a velké halo

Nejčastěji se vyskytujícím halovým jevem je malé halo o poloměru 22° kolem středu slunečního (měsíčního)  disku. Jeho vnitřní strana bývá zřetelně načervenalá, neboť vzniká lomem paprsků na náhodně orientovaných krystalcích ve tvaru šestibokých sloupků do nichž vnikají boční stěnou, lámou se a vycházejí ob jednu stěnu ven z krystalu. Nejvíce se vystupující paprsky koncentrují kolem úhlu 22 °, a proto je malé halo poměrně ostře ohraničeno směrem ke Slunci, zatímco vně malého hala světlejší lem postupně přechází do okolí. 

Naproti tomu velké halo o poloměru 46 °, které vzniká na stejných krystalech jako malé halo, je nepoměrně slabší, vzácnější a obtížné pro pozorování. Světelné paprsky v tomto případě prochází krystalem ve směru podstava – stěna a koncentrují se na obloze do většího poloměru. Rovněž lem velkého hala (mezikruží s vnitřním poloměrem 46 °) je širší. Díky tomu je naděje na pozorování velkého hala pouze tehdy, pokud je též velmi výrazné malé halo. 

Vedlejší slunce (parhelia)

Parhelia mají vzhled duhově zbarvených skvrn po stranách Slunce a to ve stejné výšce nad obzorem. Mohou být až oslnivě jasná. Vznikají totiž lomem paprsků, které procházejí bočními stěnami krystalků ve tvaru destiček, které se vznášejí v ovzduší podstavami v horizontální rovině. Obě skvrny jsou velmi častým halovým jevem a nacházejí se na vnější straně malého hala (to však nemusí být zároveň patrné), jejich úhlová vzdálenost od Slunce však závisí na výšce nad obzorem. Je-li Slunce právě na horizontu, jsou vedlejší slunce viditelná ve vzdálenostech 22 ° přímo na malém halu. I zde platí princip minimální odchylky, ovšem při větší výšce Slunce nad obzorem není průchod paprsků kolmý ke krystalové ose destiček a odchylka má proto větší hodnotu. S rostoucí výškou Slunce se parhelia tedy vzdalují od malého hala - například při výšce 50 ° nad obzorem by vedlejší slunce byla vzdálena asi 32 ° od slunečního disku. 

Halový sloup

Na stejně vodorovně orientovaných ledových destičkách, na kterých vznikají parhelia, se objevuje také halový sloup. Ten se jeví jako světelný pruh procházející vertikálně Sluncem. Z halového sloupu však bývá častěji patrná horní část při západu nebo krátce po západu Slunce. Tento jev vzniká odrazem paprsků od podstav přibližně horizontálně orientovaných ledových destiček, může však vznikat i odrazem od stěn krystalových sloupků, jejichž hlavní osy jsou orientovány vodorovně, případně na ledových krystalech v Lowitzově orientaci, díky kterým může vzniknout halový sloup i při větší výšce Slunce nad obzorem. Halový sloup je rovněž často pozorovatelným halovým jevem.

Dotykové oblouky malého hala

Tento halový jev je nejčastěji viditelný jako oblouk otevřený vzhůru dotýkající se horní části malého hala. Jeho tvar výrazně závisí na výšce Slunce nad obzorem. Je-li Slunce nízko, dotýká se malého hala oblouk ve tvaru písmene "v". S rostoucí výškou Slunce nad horizontem se oblouk více rozevírá a zároveň se nad obzor dostává i spodní část malého hala, k němuž zespoda přiléhá tzv. spodní dotykový oblouk, který je však zřídka patrný. Oba oblouky se s rostoucí výškou dále rozevírají, až se při výšce Slunce kolem 32 ° jejich rozevírající se větve spojí v tzv. opsané halo, které se nahoře a dole dotýká malého hala - v těch místech je také nejjasnější, zatímco postranní části hala jsou nevýrazné. Konečně při výšce slunečního disku nad 55 ° se již opsané halo vzniklé spojením větví dotykových oblouků nedá téměř odlišit od malého hala. 

Na vzniku dotykových oblouků (resp. opsaného hala) se podílí sluneční paprsky procházející bočními stěnami šestibokých ledových hranolků, které jsou orientovány svou hlavní krystalovou osou horizontálně. Díky lomu světla v takto orientovaných krystalech jsou oblouky duhově zbarveny a oproti malému halu, které vzniká na zcela náhodně orientovaných krystalech, poskytují živější spektrální barvy.

Cirkumzenitální oblouk

Výrazný barevný oblouk opisující část pomyslné kružnice kolem nadhlavníku (zenitu) je jedním z nejbarevnějších halových jevů, jde tzv. cirkumzenitální oblouk.  Tento halový jev vzniká lomem světla na horizontálně orientovaných ledových destičkách, do nichž paprsky vchází horní podstavou a vychází ven boční stěnou. Tento oblouk se blíží hornímu okraji velkého hala (to však nemusí být současně viditelné). Přesněji, nachází se 46 ° (či výše) nad Sluncem a je viditelný pouze je-li sluneční kotouč níže než asi 32 °, jinak se nemůže vytvořit. Jeho poloměr kolem zenitu závisí na výšce Slunce nad obzorem. Při nízko zářícím Slunci je oblouk vzdálen něco přes 30° od zenitu, ke kterému se s rostoucí výškou Slunce blíží. Nikdy však netvoří uzavřenou kružnici.

Cirkumzenitální oblouk sice není příliš vzácný, avšak díky své poloze vysoko na nebi snadno uniká pozornosti. Schéma znázorňuje průchod paprsků ledovými destičkami. Na fotografii je pak patrná poloha tohoto oblouku, který bývá z neznalosti někdy popisován jako „obrácená duha“.

Parhelický kruh

Vzácnějším halovým jevem pozorovatelným jen několikrát ročně je parhelický kruh - bělavý kruh obepínající dokola oblohu ve stejné výšce nad obzorem jako svítí sluneční disk. Častěji bývají z parhelického kruhu pozorovatelné jen oblouky.

Vzhledem k tomu, že ve stejné výšce se také nacházejí vedlejší slunce (parhelia), nese tento halový jev související název. Bývá označován též jako kruh vedlejších sluncí. 

Parhelický kruh vzniká odrazem slunečních paprsků na svisle orientovaných plochách krystalů – tedy podstavách "ležících" krystalových sloupků nebo na bočních stěnách vodorovně orientovaných ledových destiček. Kromě 22° parhelií lze na kruhu vzácně jako bělavá zjasnění pozorovat tzv. boční slunce ve vzdálenosti 120 ° od slunečního kotouče. 

Snímek zachycuje bělavý parhelický kruh a opsané halo kolem Slunce. Oba jevy vznikají na stejných krystalech, liší se jen dráhou paprsků. Na rozdíl od dominujícího odrazu paprsků od stěn krystalů nutného pro vznik parhelického kruhu, vzniklo opsané halo lomem paprsků v ležících ledových sloupcích.

120° vedlejší (boční) slunce

Tento halový jev má vzhled dvou bělavých skvrn na parhelickém kruhu v azimutální vzdálenosti 120 ° od skutečného Slunce. Na obloze tedy 120° vedlejší slunce spolu se Sluncem tvoří vrcholy pomyslného rovnoramenného trojúhelníku. 120° vedlejší slunce vznikají na šestibokých destičkách s horizontální orientací, do kterých světlo vniká horní podstavou, podstupuje dva vnitřní odrazy na stěnách a vystupuje spodní podstavou. Viditelnost 120° parhelií závisí na výšce (tloušťce) ledových destiček. Čím jsou ledové destičky vyšší, tím se jeví 120° parhelia výraznější. 

Pyramidové krystaly a hala o neobvyklých poloměrech

Na ledových krystalech s pyramidovým zakončením mohou vznikat tzv. pyramidální hala – kruhy kolem Slunce o poloměrech odlišných od známého malého resp. velkého hala. Vytvářejí se dvojitým lomem paprsků na ledových krystalcích, když vstupní či výstupní stěnou krystalku pro příslušný paprsek je stěna pyramidového (jehlanovitého) zakončení podstavy sloupkových nebo destičkových krystalů. 

Podobně jako klasické halo, i pyramidální hala vznikají na náhodně orientovaných krystalech, a proto na jejich tvar nemá vliv výška Slunce nad obzorem.  Tabulka uvádí přehled vzácně pozorovatelných pyramidálních hal a jejich poloměry.

Halové jevy a orientace krystalů

Následující tabulka uvádí přehled hlavních forem ledových šestibokých krystalů a jejich možných orientací v prostoru. Tyto faktory spolu s výškou Slunce (či jiného zdroje světla) rozhodují o tom, jaké halové jevy mohou být pozorovatelné. Uvedeny jsou též některé méně obvyklé halové jevy vznikající složitější drahou uvnitř ledových krystalů – avšak i ty bývají vzácně pozorovatelné (viz  obr. 19).

Halové jevy pod horizontem

Celá řada druhů halových jevů se promítá pod rovinu obzoru, a proto mohou být odhaleny například při pozorování z letadel či vyvýšených míst na horách. Relativně často pozorovaným „sub-horizontálním“ halovým jevem je tzv. spodní slunce. Vzniká podobně jako odlesk od vodní hladiny, v tomto případě jde o odlesk od horních podstav vodorovně orientovaných ledových destiček. 

Obdobně vznikají také spodní parhelia, od klasických se jejich vznik liší pouze jedním vnitřním odrazem navíc od podstavy ledové destičky.

Úkazy složené z více halových jevů současně

• neuspořádané (náhodně orientované) krystaly 
• vodorovně orientované destičky, tj. s hlavní krystalovou osou kolmou k zemi 
• horizontálně orientované sloupky, tj. s hlavní krystalovou osou ležící vodorovně 
• horizontálně orientované sloupky v Parryho orientaci, tj. navíc s dvojicí protilehlých stěn ve vodorovné rovině

Díky záběrům mířícím několik stupňů pod úroveň obzoru byly zaznamenány také méně obvyklé halové jevy. Na složeném snímku níže lze vlevo nahoře vidět část jasného malého hala, dole je pak barevné svisle protažené spodní parhelium. Výrazný duhově zbarvený oblouk v místě překryvu fotografií je infralaterální oblouk, slabší oblouk napravo pak supralaterální oblouk. Oba oblouky vznikly na krystalech ve tvaru šestibokých ledových sloupků s horizontálně položenou hlavní krystalovou osou. Zjasnění patrná v dolní části obou oblouků mají na svědomí krystaly s Parryho orientací (jde o Tapeovy oblouky). Odrazem od stěn těchto krystalů pak vznikl vzácně pozorovatelný bělavý pruh táhnoucí se šikmo vlevo dolů od Slunce (tzv. helický oblouk).

Tato ukázka vznikla kombinací fotografií a simulace halových jevů provedenou v programu HaloSim3 autorů Lese Cowleyho a Michaela Schroedera. Simulační programy představují mocný nástroj pro identifikaci halových jevů a pro odhalování jejich dalších možných forem.

Z historie halových jevů

Halové jevy zde byly jistě dříve, než je člověk dokázal zaznamenat. Známo však je, že neunikly pozornosti starověkých učenců. V 4. století před naším letopočtem je popsal Aristoteles, od něhož pochází i samotný termín (pojem „alos“ v řečtině značil kruhový dvůr). První zaznamenaný výskyt halových jevů z našeho území pochází ze 7. března 1135 z Prahy. 

Starší pozorování nejsou příliš častá, nejde o fotografie, a proto je třeba brát zákresy s jistou dávkou obezřetnosti. Nicméně některá vyobrazení vstoupila do dějin. Polský hvězdář Johan Hevelius (1611-1687) pozoroval kupříkladu
20. února 1661 v Gdaňsku rozsáhlý halový úkaz, který popsal jako "sedm sluncí".  

Vysvětlení principu vzniku halových jevů odrazem a lomem světla pochází od René Descarta (1596-1650), který se též zapsal do historie zkoumání duhy. První soubornou teorii osvětlující vznik základních halových jevů podal v roce 1681 francouzský fyzik Edme Mariotte (1620-1684).

Mezi nejlépe zdokumentované historické úkazy patří kromě Heveliova pozorování z roku 1661 též pozorování Johanna Tobiase Lowitze (1757–1804) z 18. června 1790 v Petrohradu, nebo Williama E. Parryho (1790-1855) z 8. dubna 1820 na Melvillově ostrově v Kanadě. Právě pozorování Parryho a jím popsaného dosud neznámého oblouku se počátkem 20. století zabývali C. S. Hastings a Alfred Wegener.  

Kam zaslat pozorování či fotografie halových jevů?

Pozorování halových jevů, možnosti digitální fotografické techniky a následného zpracování otevírají pole pro uplatnění nadšenců o halové jevy. Poštěstí-li se vám spatřit výrazné halové jevy, je vhodné pořídit více fotografií stejného místa na nebi a i dalších částí oblohy, kde zdánlivě nemusí být patrné žádné halové jevy, nebo kde se zdají být relativně méně výrazné. Následným složením fotografií a pečlivým rozborem lze odhalit vzácné či dosud neznámé halové jevy.

Neformální komunita zájemců a nadšených fotografů je sdružena například kolem webových stránek „Optické úkazy v atmosféře“ na serveru České astronomické společnosti. Zde provozovaná databáze čtenářských fotografií nejen halových jevů je otevřena všem zájemcům. Některé ze snímků pořízených čtenáři již našly místo v odborných článcích a literatuře o halových jevech. 

Odkaz: http://ukazy.astro.cz/

Tomáš Tržický
trzicky@astro.cz

Vložit nový příspěvek