Aber Halo!

8. Dezember 2007 von Jan Hattenbach in Atmosphäre

Haben Sie auch schon mal diesen seltsamen, kreisrunden „Regenbogen“ um die Sonne gesehen? Und haben Sie sich vielleicht gefragt, wie dieser Regenbogen ohne Regen entstehen kann, und sich gewundert, weil man Regenbögen doch sonst immer engegengesetzt zur Sonne sieht? Dann sind Sie bestimmt auf die Idee gekommen, dass es sich um gar keinen Regenbogen gehandelt hat. Aber was war es dann?

Der richtige Begriff für dieses Phänomen ist „Eishalo“. Bevor Sie jetzt Einspruch erheben, weil Sie den Ring vielleicht an einem warmen Sommertag wargenommen haben und das einzige Eis weit und breit das des Italieners ihres Vertrauens war – das Eis, von dem hier die Rede ist befindet sich weit über Ihnen, in den dünnen Federwolken der oberen Troposphäre. Wolken sind ja gemeinhin keine Freunde der Astronomen. Egal ob Profi oder Hobbysterngucker, sie verwehren den Blick aufs Firmament. Wer sich regelmäßig mit „dem da oben“ beschäftigt, setzt sich zwangsläufig auch mit den irdischen Wolken auseinander, und das kann manchmal ziemlich interessant sein! Denn ausser dem „Regenbogen“ um die Sonne (ganz genau heißt er übrigens „22°-Halo“, wir sehen später, warum) gibt es eine Vielzahl anderer Haloerscheinungen, die ziemlich komplizierte Formen annehmen können, etwa Kreise, Bögen und Lichtflecken verschiedener Größe und Intensität.

Ein 22°-Halo mit Infralateralbogen, 9.10.2007  

Ein besonders heller 22°-Halo um die Sonne. Am Horizont ist auch eine seltenere Haloerscheinung zu sehen: der Infralateralbogen. (09. Oktober 2007) 

Die Troposphäre, die unterste Schicht unserer Lufthülle, ist die Wetterküche der Atmosphäre. Sie ist nur etwa 10 Kilometer dick, an den Polen etwas weniger, am Äquator etwas mehr. Hier spielt sich alles ab, was wir abends nach der Tagesschau auf der Wetterkarte präsentiert bekommen. Da die Troposphäre vor allem von der Erdoberfläche aufgewärmt wird, nimmt die Lufttemperatur mit der Höhe ab: am oberen Ende der Troposphäre herrschen Temperaturen von unter –50° Celsius. Dadurch steigt warme Luft auf, kühle sinkt ab: die Troposphäre wird durchmischt und unser Wetter entsteht. Wasserdampf kondensiert zu Wolken, fällt als Regen zu Boden und so weiter.

Im kalten, oberen Teil der Troposphäre, also in einer Höhe von etwa 5 bis 10 Kilometern über dem Erdboden bilden sich statt Wassertröpfchen Eiskristalle. Dabei lagert sich der Wasserdampf an sogenannten Kristallisationkeimen an, etwa an winzig kleinen Staubkörnchen. Die Kristalle können durch wiederholte Anlagerung von Wasserdampf auf einige Zehntelmillimeter anwachsen und werden schließlich in Form der schon genannten Feder- oder Cirruswolken sichtbar.

Diese winzigen Kristalle sind nun die Ursache für eine ganze Palette interessanter Erscheinungen. Wie kleine Glasprismen nämlich brechen und reflektieren sie das weiße Sonnenlicht. Das ist im Grunde auch schon das ganze Geheimnis der Eishalos: gebrochenes und reflektiertes Sonnenlicht formt die farbigen Bögen am Himmel, ganz ähnlich wie beim Regenbogen, wo die Lichtbrechung durch die Regentropfen erzeugt wird.

Plättchen- und Säulenkristalle 

Hexagonale Plättchen- und Säulenkristalle sind die häufigsten in Eiswolken vorhandenen Kristallformen. 

Doch wie kommt es zu dieser Mannigfaltigkeit der verschiedenen, komplizierten Halophänomene? Während die den Regenbogen formenden Wassertropfen alle mehr oder weniger gleich geformt sind, können sich eine Vielzahl verschiedener Eiskristalle ausbilden. Die meisten sehen aus wie kleine Plättchen oder Säulen. An den verschiedenen Seitenflächen der Kristalle kann das Licht gebrochen oder auch reflektiert werden. Jeder Kristalltyp erzeugt im Prinzip „seine“ Halos. Auch können sich die Eiskristalle in der Luft verschieden ausrichten oder vollkommen regellos orientiert sein. Generell gilt: regellos angeordnete Kristalle erzeugen kreisförmige Halos, während kompliziertere Halostrukturen durch regelmäßige Anordnung der Kristalle erzeugt werden. Fallen die kleinen Kristalle nämlich langsam zu Boden, richten sie sich gemäß ihrem größtmöglichen Luftwiderstand aus, die Plättchen etwa mit ihrer Grundfläche horizontal zum Erdboden. Die durch regelmäßig angeordnete Kristalle erzeugten Halos sind wesentlich seltener.

Aber halt! Wenn es eine Vielzahl von Formen und Größen unter den Kristallen gibt, wieso kommt es dann überhaupt zu regelmäßigen Haloerscheinungen? Besonders, wenn die Kristalle selbst völlig regellos angeordnet sind? Einen wichtigen Punkt haben wir bisher noch nicht betrachtet. Wer schon einmal Schnee unter einem Mikroskop betrachtet hat, erinnert sich an die wunderschönen, komplizierten Strukturen der einzelnen Kristalle: kein Schneekristall scheint dem anderen zu gleichen. Eines aber ist allen gemeinsam: alle Schneekristalle sind „Sterne“ mit genau sechs „Armen“, keinem mehr und keinem weniger. So sind auch die Eiskristalle der Federwolken alle sechseckige Strukturen. Warum das so ist? Eis ist gefrorenes Wasser. Im festen Zustand finden sich immer genau sechs Wassermoleküle zu einem Ring zusammen, jedes Molekül ist dabei wieder Teil von zwei benachbarten Ringen. Die Verbindungen werden über Wasserstoffbrücken realisiert (jedes Wassermolekül besteht aus einem Sauerstoff- und zwei Wasserstoffatomen, das chemische Symbol ist H2O). Diese Struktur setzt sich immer weiter fort, der Chemiker spricht von einer „hohen Fernordnung“ des Kristallgitters. Die makroskopischen Eiskristalle haben also immer eine sechseckige Form. Damit stehen die Seitenflächen aller Eiskristalle, egal wie groß sie sind und wie sie genau aussehen mögen, immer im gleichen Winkel, nämlich 60°, zu ihrer jeweiligen Nachbarfläche. Diese allen Eiskristallen gemeinsame Regelmäßigkeit ist der Grund für die Entstehung der Halos. Denn der Winkel zwischen den Seitenflächen ist entscheidend für die Lichtbrechung.(*)

Der 22°-Halo ist der mit Abstand häufigste Halo. Er entsteht immer dann, wenn die sechseckigen Kristalle völlig regellos schweben. Und wie entsteht nun dieser Ring?

Betrachten wir einen Lichtstrahl, der durch eine der sechs Seitenflächen des Kristalls eintritt. Der Eintrittswinkel kann Werte zwischen 0° und 90° annehmen, denn die Kristalle sind ja vollkommen ungeordnet. Durch die höhere Brechzahl von Eis im Gegensatz zur Luft wird der Lichtstrahl an der Übergangsfläche abgelenkt, man sagt, er wird „zum Lot hin gebrochen“. Im Kristall selbst breitet sich der Strahl wieder geradlinig aus, bis er an der übernächsten Fläche den Kristall verlässt. Auch hier wird der Strahl gebrochen, nun aber, da der Übergang vom Eis in Luft stattfindet, „vom Lot weg“. Natürlich treten die Lichtstrahlen ebenso unter allen möglichen Winkeln aus dem Kristall aus, mit einer Einschränkung: Winkel unterhalb von 22° kommen nicht vor! Warum?

Minimal angelenkter Strahl bei hexagonalen Eiskristallen 

Der minimal abgelenkte Strahl tritt bei hexagonalen Eiskristallen bei einem Winkel von etwa 22° auf. 

Beträgt der Gesamtbrechungswinkel etwa 22°, so läuft der Lichtstrahl im Kristall parallel zu der zwischen Eintritts- und Austrittsfläche liegenden Seitenfläche. Ein- und Austritt finden unter dem gleichem Winkel statt. Drehen wir nun in Gedanken den Kristall, verändern also den Eintrittswinkel, so stellen wir fest, dass der Gesamtbrechungswinkel immer anwächst. Die Summe der Brechungswinkel bei Ein- und Austritt ist immer größer als 22°, um dieses Minimum häufen sich die Lichtstrahlen. Dies ist der Effekt der „minimalen Ablenkung“, wie er auch beim Regenbogen auftritt. So ganz genau stimmt das aber noch nicht: Die Lichtbrechung ist für jede Wellenlänge (jede Lichtfarbe) verschieden. In Wirklichkeit liegt die minimale Ablenkung zwischen 21,7° für rotes Licht (Wellenlänge etwa 656 Nanometer) und 22,5° für Violett (400  Nanometer)(**). 

Wir erkennen schon, worauf das Ganze hinausläuft. Bei einem Winkel von 22° zur Sonne häufen sich die Lichtstrahlen, hier erscheint der helle Halo. Es gibt keine Lichtstrahlen bei Winkeln kleiner als 22°, aber sehr wohl welche bei größeren Winkeln, daher ist der innere Rand des Halos scharf begrenzt, während der Äußere diffus ist. Die Regenbogenfarben erklären sich durch die unterschiedliche Lichtbrechung für die verschiedenen Wellenlängen (Farben) des weißen Sonnenlichts: rotes Licht wird schwächer gebrochen, damit ist der innere Rand des Rings rötlich gefärbt.

Aber wie kommt es nun zu der Erscheinung des Rings als Ganzes? Natürlich liegen die Eiskristalle nicht nur auf diesem Ring, sondern sind in der gesamten Wolke verteilt. Blickt man zur Sonne, so sieht man aber wegen der 22°-Ablenkung die Wirkung derjenigen Kristalle besonders stark, die sich auf einem Kreis unter einem Winkel von 22° um die Sonne befinden und außerdem die richtige Orientierung aufweisen. Eine Eiswolke enthält Abermillionen von Eiskristallen, und so finden sich immer genug, die diese Bedingungen erfüllen! Die übrigen Kristalle erzeugen nur ein diffuses Streulicht.

Ein Halo um den abnehmenden Mond, 24.11.2007 

Auch der Mond kann Halos erzeugen. Dieses Bild eines 22°-Halos um den abnehmenden Mond entstand am 24. November 2007. 

Das bedeutet aber auch, dass jeder Beobachter seinen „persönlichen“ Halo sieht! Streng genommen (hier wird es ein bißchen philosophisch) gibt es den Halo, wie auch den Regenbogen nicht als eigenständige Entität, sondern nur als optische Täuschung für den jeweiligen Betrachter. In der Natur gibt es nur die Eiskristalle und das Licht der Sonne, der Halo entsteht erst für uns in unserem Auge, oder durch die Kameralinse auf dem Film oder dem CCD-Chip! 

Es heißt, ein kräftiger Halo sei ein Zeichen für baldigen Regen. Stimmt das?

Oft, aber nicht immer. Voraussetzung für die Entstehung von Halos sind Eiswolken. Diese entstehen häufig dann, wenn ein Tiefdruckgebiet heranzieht: dann steigt warme und feuchte Luft nach oben und trifft in der Höhe auf kalte Luftmassen. Je langsamer die Kristallisation abläuft, desto regelmäßiger wachsen die Eiskristalle, und umso deutlicher und schöner werden die Halos. Gerade bei Westwetterlagen in Mitteleuropa sind Eiswolken – und damit Halos – ein erstes Anzeichen für einen Wetterumschwung. Aber an allen Orten der Welt und zu allen Jahreszeiten kann man Halos beobachten. 

Vielen Menschen hielten (und halten) Halos für böse Vorzeichen. Damit sind sie in bester Gesellschaft mit anderen Wundern der Natur: auch Kometen, Meteorschauer, Sonnenfinsternisse oder der schon mehrfach genannte Regenbogen mussten (und müssen) als Erklärung für allerlei Übel auf der Welt herhalten. Warum das so ist? Es liegt wohl an der alten Wahrheit, dass der Mensch fürchtet, was er nicht versteht!

Ich hoffe, dass Sie sich bei „ihrem“ nächsten Halo nicht fürchten, sondern sich an seiner Schönheit erfreuen können! 

(*)Das gilt genau genommen nur für Drücke und Temperaturen, wie sie etwa in 8 bis 10 Kilometern Höhe in unserer Erdatmosphäre herrschen. Bei sehr tiefen Temperaturen und unter hohen Drücken kristallisiert Eis in anderen Formen, oder bildet sogar amorphe Strukturen. 

(**)1 Nanometer sind 0,000001 Millimeter

 

Der 22° Halo ist nur eines von vielen verschiedenen Halophänomenen. Sie alle zu beschreiben, würde den Rahmen dieses Artikels sprengen. Eine ausführliche Erklärung auch seltener Erscheinungen liefern die Internetseiten des Arbeitskreis Meteore e.V. : www.meteoros.de

Eine gute Literaturempfehlung ist außerdem das Buch von Kristian Schlegel, „Vom Regenbogen zum Polarlicht“. Die zweite Auflage ist 2001 im Spektrum Akademischer Verlag erschienen.

 


7 Kommentare zu “Aber Halo!”

  1. Kai Antworten | Permalink

    Hallo Jan,

    eine schöne Beschreibung des Halo-Phänomens!
    Bisher habe ich mir noch keine großen Gedanken dazu gemacht. Dank deiner Erklärung weiss ich nun mehr :-).

    Viele Grüße

    Kai

  2. Renate Rendigs Antworten | Permalink

    soo schön geschrieben!

    Lieber Autor!
    Verständlich und auch noch unterhaltsam - ich habe den Artikel als absoluter Laie im Universum genüsslich gelesen und war sehr zufrieden, dann auch noch für meine Tochter die passende Erklärung für eine Bemerkung ihrer Geographie-Lehrerin über Halos zu haben.
    Bin beim Googeln zufällig hier gelandet und werde nun sicher noch öfter in diesem Wissenspool stöbern.
    Herzlichen Dank!
    Renate

  3. Karl Bednarik Antworten | Permalink

    Halo

    Naturgemäss, oder genauer gesagt kunstgemäss, dachte ich immer, dass ein Halo etwas ganz anderes ist:

    Halo: Combat Evolved (2002)
    Halo 2 (2004)
    Halo 3 (2007)
    Die Hersteller verkünden das Ende der Halo-Reihe. (2007)
    Halo Wars (Strategiespiel) (2009)
    Halo 3: ODST (2009)
    Halo: Reach (2010)
    Die Hersteller verkünden das Ende der Halo-Reihe. (2010)
    Halo: Combat Evolved Anniversary (mit verbesserter Grafik) (2011)
    Halo 4 (2012)
    Die Hersteller verkünden: Halo 4 ist der erste Teil einer neuen Trilogie. (2011)
    Videos dazu:
    http://www.youtube.com/watch?v=gEuCT3kSH_s
    http://www.youtube.com/watch?v=TC2yMKMENdg

  4. frank Antworten | Permalink

    merkwürdiger regenbogen

    Hallo!
    ist zwar schon paar jahre her,aber ich frage mich doch immer wieder was für einen regenbogen ich da gesehen habe.
    schöner sommertag,davor und danch keinen regen.eigentlich einen regenbogen wie wir ihn kennen am himmel.die farben normal,vom blassen zu kräftig farbenen übergehend.

    nun das merkwürdige:fast am andern ende des bogens wo die farben am kräftigsten waren,sah es aus als hätte man ihn mit einer schere abgeschnitten.
    über dem horizont wo er wieder verblassen sollte war ein kerzegerader schnitt un somit das ende des bogens.

    paarmal aus den augen gelassen durch auto fahrerei,war der regenbogen auf einmal nach ziehmlich kurzer zeit nicht mehr zu sehen.

    meine freundin und ich waren und sind ratlos...
    was ist da abgelaufen? irgend jemand eine idee??

  5. Jan Hattenbach Antworten | Permalink

    @frank

    Ich bin nicht sicher, ob ich das richtig verstanden habe. Es sah also so aus, als "fehlte" ein Stück des Bogens? Es kommt immer mal wieder vor, dass der Bogen nicht vollständig zusehen ist, je nachdem wo die Regentropfen in der Luft sind. Oder war es eher so etwas: http://www.meteoros.de/spiegel/spiegel.htm ? In der Nähe größerer Wasserflächen kommt es manchmal zu Spiegelungseffekten. Eine Skizze wäre enorm hilfreich..

  6. Kota Antworten | Permalink

    Danke für die tolle und verständliche Erklärung. Ich hatte heute die Freude über 3 Stunden! !LG Brigitte

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