Hào quang (hiện tượng quang học)

Hào quang (từ tiếng Hy Lạp ἅλως, halōs) là tên cho một loại hiện tượng quang học được tạo ra bởi ánh sáng mặt trời tương tác với các tinh thể băng lơ lửng trong bầu khí quyển. Hào quang có thể có nhiều hình thức, từ các vòng tròn màu trắng đến các cung và điểm trên bầu trời. Nhiều hào quang trong số này xuất hiện gần mặt trời hoặc mặt trăng, nhưng những hào quang khác xảy ra ở nơi khác hoặc thậm chí ở phần đối diện của bầu trời. Trong số các loại vầng quang, nổi tiếng nhất là hào quang tròn (được gọi là hào quang 22°), trụ cột ánh sáng và mặt trời giả, nhưng cũng nhiều loại hào quang khác xuất hiện; một số hào quang là khá phổ biến, trong khi những loại hào quang khác là cực hiếm mới xuất hiện.
Các tinh thể băng chịu trách nhiệm về các halos thường bị treo ở các đám mây xoắn hoặc cirrostratus ở tầng trên (5–10 km (3.1–6.2 mi)), nhưng trong thời tiết lạnh, chúng cũng có thể trôi nổi gần mặt đất, trong trường hợp chúng được gọi là như bụi kim cương. Hình dạng và định hướng cụ thể của các tinh thể băng chịu trách nhiệm về loại hào quang quan sát được. Ánh sáng được phản xạ và khúc xạ bởi các tinh thể băng và có thể phân chia thành các màu do phân tán. Các tinh thể hoạt động như lăng kính và gương, khúc xạ và phản xạ ánh sáng giữa các khuôn mặt của chúng, gửi các chùm ánh sáng theo các hướng cụ thể.
Các hiện tượng quang học khí quyển như hào quang được coi như một phần của truyền thuyết thời tiết, đó là một kinh nghiệm dự báo thời tiết trước khi ngành khí tượng học phát triển. Họ thường chỉ ra rằng mưa sẽ rơi trong vòng 24 giờ tới, vì những đám mây ti tầng khiến chúng có thể biểu hiện một hiện tượng thời tiết đang đến gần.
Các loại phổ biến khác của hiện tượng quang học liên quan đến giọt nước thay vì tinh thể băng bao gồm glory và cầu vồng.

Lịch sử

Trong thời Aristotle đã từng đề cập đến hào quang và mặt trời giả. Vào thời cổ đại, các mô tả châu Âu đầu tiên về hào quang rực rỡ là của Christoph Scheiner ở Rome (khoảng năm 1630), Hevelius ở Danzig (1661) và Tobias Lowitz ở St Petersburg (1794). Các nhà quan sát Trung Quốc đã ghi nhận điều này trong nhiều thế kỷ, tham khảo đầu tiên là một phần của "Lịch sử chính thức của triều đại Tần" vào năm 637, về "Mười haloes", đưa ra các thuật ngữ chung cho 26 hiện tượng hào quang mặt trời.

Hào quang Bottlinger

Hào quang hình elip Bottlinger là một loại quầng hiếm hoi hình elip thay vì hình tròn. Nó có một đường kính nhỏ, làm cho nó rất khó nhìn thấy trong ánh sáng chói lòa của mặt trời và nhiều khả năng được phát hiện xung quanh mặt trời giả mờ hơn, nó thường được nhìn thấy từ đỉnh núi hoặc máy bay. Quầng Bottlinger vẫn chưa được giải thích rõ. Có đề xuất rằng chúng được hình thành bởi các tinh thể băng hình chóp rất phẳng với khuôn mặt ở góc thấp không phổ biến, bị treo theo chiều ngang trong khí quyển. Những giải thích chưa chính xác và có vấn đề về hào quang này sẽ giải thích tại sao quầng này rất hiếm.

Tên khác

Trong tiếng Anh Anglo-Cornish của người Anh, một hào quang của mặt trời hoặc mặt trăng được gọi là mắt của một con gà trống và là một dấu hiệu của thời tiết xấu. Thuật ngữ này có liên quan đến từ Breton kog-heol (sun cock) có cùng ý nghĩa. Ở Nepal, hào quang mặt trời được gọi là Indrasabha.

Hào quang nhân tạo

Các hiện tượng tự nhiên có thể được sao chép nhân tạo bằng nhiều phương tiện. Thứ nhất, bằng mô phỏng máy tính, hoặc thứ hai bằng phương tiện thực nghiệm. Về sau, người ta có thể lấy một tinh thể đơn và xoay nó quanh trục / trục thích hợp, hoặc dùng phương pháp hóa học. Một phương pháp tiếp cận thử nghiệm còn tiếp tục và gián tiếp hơn là tìm hình học khúc xạ tương tự.

Cách tiếp cận khúc xạ tương tự

Cách tiếp cận này sử dụng thực tế là trong một số trường hợp, hình học khúc xạ trung bình thông qua một tinh thể băng có thể được bắt chước / bắt chước thông qua khúc xạ thông qua một đối tượng hình học khác. Bằng cách này, Circumzenithal arc, Circumhorizontal arc và  Parry arc có thể được tái tạo bằng phép khúc xạ thông qua các đối tượng tĩnh đối xứng (tức là không có lăng trụ). Một thí nghiệm đặc biệt đơn giản trên bảng tạo ra nhân tạo vòng tròn đầy màu sắc và vòng cung bằng vòng cung chỉ sử dụng kính nước. Khúc xạ qua xilanh nước hóa ra là (gần như) giống với khúc xạ trung bình luân phiên thông qua một tinh thể hình cầu / tinh thể dạng tấm hình lục giác thẳng đứng, do đó tạo ra vòng tròn màu sinh động và vòng cung. Trong thực tế, thí nghiệm thủy tinh nước thường bị nhầm lẫn là đại diện cho một cầu vồng và đã tồn tại ít nhất kể từ năm 1920.
Theo ý tưởng của Huygens về cơ chế (sai) của parhelia 22°, người ta cũng có thể chiếu sáng (từ bên cạnh) một thủy tinh hình trụ chứa đầy nước với đường kính trung tâm bên trong đường kính một nửa để đạt được khi chiếu trên màn hình sự xuất hiện gần giống với parhelia) tức là một cạnh màu đỏ bên trong chuyển thành một dải màu trắng ở các góc lớn hơn trên cả hai mặt của hướng truyền trực tiếp. Tuy nhiên, trong khi kết hợp trực quan là gần, thí nghiệm đặc biệt này không liên quan đến một cơ chế ăn da giả và do đó không có tương tự thực sự.

Phương pháp hóa học

Các công thức hóa học sớm nhất để tạo ra các hột nhân tạo đã được Brewster đưa ra và nghiên cứu thêm bởi A. Cornu vào năm 1889. Ý tưởng là tạo ra các tinh thể bằng cách kết tủa dung dịch muối. Sau đó, vô số tinh thể nhỏ vô số được tạo ra sau đó, khi chiếu sáng với ánh sáng, gây ra các halogen tương ứng với hình dạng tinh thể đặc biệt và định hướng / căn chỉnh. Một số công thức hóa học tồn tại và tiếp tục được khám phá. Tuy nhiên kết quả chung của các thí nghiệm là như vậy. Nhưng Parry arc cũng được sản xuất nhân tạo theo cách này.

Trục đơn

Các nghiên cứu thực nghiệm sớm nhất về hiện tượng hào quang đã được quy cho  Bravais vào năm 1847. Bravais sử dụng lăng kính thủy tinh đều nhau mà ông xoay quanh trục thẳng đứng của nó. Khi được chiếu sáng bởi ánh sáng trắng song song, nó tạo ra một vòng tròn Parhelic nhân tạo và nhiều hình parhelia được nhúng. Tương tự, A. Wegener sử dụng các tinh thể xoay hình lục giác để tạo ra subparhelia nhân tạo. Trong một phiên bản mới hơn của thí nghiệm này, nhiều chi tiết parhelia nhúng đã được tìm thấy bằng cách sử dụng các tinh thể thủy tinh BK7 lục giác có sẵn trên thị trường. Các thí nghiệm đơn giản như thế này có thể được sử dụng cho mục đích giáo dục và thí nghiệm trình diễn. Thật không may, sử dụng tinh thể thủy tinh, người ta không thể tái tạo vòng cung vòng tròn hoặc vòng cung vòng cung do tổng phản xạ nội bộ ngăn cản các đường ray cần thiết khi .
Thậm chí sớm hơn Bravais, nhà khoa học người Ý F. Venturi đã thử nghiệm với lăng kính nhọn đầy nước để chứng minh circumzenithal arc. Tuy nhiên, lời giải thích này đã được thay thế  bởi lời giải thích sau chính xác về Circumzenithal arc bởi Bravais.
 Các tinh thể băng nhân tạo đã được sử dụng để tạo ra các halos không thể đạt được trong phương pháp cơ học thông qua việc sử dụng các tinh thể thủy tinh, ví dụ như các circumzenithal arc và circumhorizontal arcs. Việc sử dụng tinh thể băng đảm bảo rằng các halogen tạo ra có cùng tọa độ góc như các hiện tượng tự nhiên. Các tinh thể khác như NaF cũng có chiết suất gần băng và đã được sử dụng trong quá khứ.

Hai trục

Để tạo ra các halos nhân tạo như các vòng cung tiếp tuyến hoặc vòng hào quang có vòng tròn nên xoay một tinh thể hình lục giác cột đơn khoảng 2 trục. Tương tự, các vòng cung Lowitz có thể được tạo ra bằng cách xoay một tinh thể đĩa đơn về hai trục. Điều này có thể được thực hiện bởi các máy quầng được thiết kế. Máy đầu tiên được chế tạo vào năm 2003; nhiều hơn sau đó. Đặt các máy như vậy bên trong các màn hình chiếu hình cầu, và theo nguyên lý của biến đổi bầu trời, sự tương tự gần như hoàn hảo. Việc thực hiện bằng cách sử dụng các phiên bản vi mô của các máy nói trên tạo ra các dự đoán không bị méo chính xác của các hệ thống nhân tạo phức tạp như vậy. Cuối cùng, sự chồng chất của một số hình ảnh và hình chiếu được tạo ra bởi các máy quầng như vậy có thể được kết hợp để tạo ra một hình ảnh duy nhất. Kết quả là hình ảnh chồng chất sau đó là một biểu diễn của các màn hình quầng tự nhiên phức tạp có chứa nhiều bộ định hướng khác nhau của lăng kính băng.

Ba trục

Việc tái tạo thử nghiệm các halos tròn là khó khăn nhất khi sử dụng một tinh thể duy nhất, trong khi đó là loại tinh thể đơn giản nhất và thường đạt được bằng công thức hóa học. Sử dụng một tinh thể đơn lẻ, người ta cần nhận ra tất cả các định hướng 3D có thể có của tinh thể. Điều này gần đây đã đạt được bằng hai cách tiếp cận. Cách đầu tiên sử dụng khí nén và một gian lận tinh vi, và cách thứ hai sử dụng một máy đi bộ ngẫu nhiên dựa trên Arduino, nó định hướng lại một tinh thể được nhúng trong một quả cầu trong suốt có tường mỏng.