Halos solares e lunares: Fenômenos ópticos na atmosfera

Halos são arcos de círculos vistos na atmosfera devidos à refração que a luz, vinda do Sol ou da Lua, sofre ao atravessar uma núvem alta e relativamente fina de cristais de gelo. O Sol ou a Lua ficam no centro do círculo.

Obviamente, abaixo dos cristais de gelo, a atmosfera não deve ter outras nuvens, usualmente com baixa umidade.

Estas nuvens ocorrem entre 5 e 10 km de altura.

A abertura angular mais comum do Halo é 22 graus, considerando um cone com o vértice no observador, medida relação ao eixo, que é a direção do Sol ou da Lua.

O fenômeno é belíssimo e ocorre com certa freqüência, mas nem sempre conseguimos ver o círculo completo nem distinguir as cores da refração.

Prisma Hexagonal

É interessante observar que os cristais de gelo tomam a forma de prisma com base hexagonal em várias condições de temperatura, pressão e saturação.

Os cristais podem crescer pelas faces retangulares ou hexagonais. Eles podem ser mais compridos ou não dependendo de vários fatores de crescimento de cristais. See Hexagonal Ice.

Assim, a refração pode ocorrer em qualquer face. Em geral os cristais nas nuvens não têm uma orientação bem definida.

Podemos estudar o que acontece em um cristal. Suponha a seguinte configuração.

Refração em um Hexágono

Um raio incide sobre uma face, refrata a passar pelo ponto G e depois refrata novamente ao sair pela outra face. A figura mostra o ângulo de desvio efetivo ε que depende do ângulo de incidência α. É fácil mostrar que este ângulo é no mínimo 22 graus. Para isto usamos um prisma de base triangular, como indicado na figura pelos pontos BLE. Para quem tem curiosidade e quer ver as possibilidades em uma simulação, veja o applet em Java de refração em um hexágono de gelo.

Este ângulo é o que define o ângulo de abertura do halo. Observe que o índice de refração depende efetivamente da cor da luz. Assim uma luz branca se decompõe pelo fenômeno do prisma.

E para completar a explicação, o fato dos cristais não terem direção determinada,  sempre vai ter alguns cristais que permitem fazer a dupla refração na direção do observador. Por isto, o formato circular.

Há vários outros fenômenos envolvendo os cristais de gelo nas nuvens e a luz solar ou lunar. Read 22 Halo, and Snowflake primer. Veja a construção analítica do ângulo de desvio de um prisma. See also refraction of light java applet .

Há muitas possibilidades dos raios luminosos interagirem com as nuvens de cristais de gelo. Os raios podem passar pelas diagonais, passar de uma face a outra paralela e sofrer apenas um desvio mas não um a decomposição de cores, passar pelas bases do cristal que também têm faces paralelas etc. Além da refração, em cada face há uma pequena reflexão ou até uma reflexão total. Por conta disto, fazemos uma simulação, considerando milhares de raios, e milhares de cristais nas mais variadas direções. Os resultado estão na figuras abaixo. Note inclusive a formação de um segundo halo, mais tênue, resultante de cristais nos quais os raios luminosos sofrem uma reflexão interna antes de sair na direção do observador. Este segundo halo tem abertura angular de 44 graus.

Simulação de Halo por cristais de gelo

A imagem a seguir mostra a simulação com um pouco menos de cristais de forma a evidenciar a decomposição em cores.

Olhe para o céu de vez em quando. É a coisa mais maravilhosa do mundo. Mas cuidado para não olhar diretamente ao Sol.