Das war eine Ankunft in Hammelburg! Wir kamen gerade aus dem Kurzurlaub zurück, als in Hammelburg ordentlich Nebel herrschte. Bei genauer Betrachtung konnte man erkennen, dass er auskristallisierte und die kleinen Eiskristalle langsam zu Boden sanken. Die Luft war still. Wie sich später herausstellen sollte, war genau das die Voraussetzung für die seltenen Beobachtung, die man in dieser Nacht in Hammelburg anstellen konnte.

Zunächst hatte ich nur die oberen Lichtsäulen wahrgenommen, die sich über den Lampen bilden. Aber schon bald fiel auf, dass sich von Lampe zu Lampe fast schon gotischen Bögen spannten. Ich kannte dieses Phänomen in dieser Art noch nicht und so machte ich mich an die fotografische Dokumentation und probierte unterschiedliche Blickwinkel aus. Hätte ich damals schon geahnt, welche fantastische Beobachtung ich da gerade machte, hätte ich wahrscheinlich effektivere Beobachtungsmethoden zur Datenerhebung gewählt.

Im divergierenden Licht schauen Halos völlig anders aus, als wir sie vom Sonnenlicht her kennen. Es bedurfte viel theoretischr Arbeit, um herzuleiten, welche Namen die Bögen hatten und wie sie entstehen.

Erklärung

Wenn die Luft kälter ist als das Wasser, dann steigt aus der nahen Saale der Nebel auf. Bei den kalten Temperaturen dieses Tages bildeten sich bei etwa -9 bis -11°C Eiskristalle. Dabei entstanden zwei Arten von Kristallen: hexagonale Säulenkristalle und hexagonale Eiskristallplättchen.

Fällt Licht auf diese Eiskristalle, dann wird es auf unterschiedliche Weise gebrochen und/oder gespiegelt, so dass dabei unterschiedliche Halos gebildet werden. Anders als die Sonne, bei der nur paralleles Sonnenlicht bei uns ankommt, werfen Lampen ihr Licht in alle Richtungen. Wir sprechen dann von divergierendem Licht. Dieses divergierende Licht verändert die Form der uns bekannten Sonnenhalos. Die Verteilung der für einen Halo verantwortlichen Eiskristalle im Raum folgt zudem völlig anderen Kurven, als wir das vom parallelen Licht kennen.

Lichtsäulen

Bei der oberen und unteren Lichtsäule kommt es zu einer einfachen Spiegelung an der Unterseite (obere Lichtsäule) oder Oberseite (untere Lichtsäule) des horizontal ausgerichteten hexagonalen Eiskristallplättchens.

Die horizontale Ausrichtung ist dabei eine notwendige Bedingung, um Säulen zu verursachen. Eine mögliche Drehung des Kristalls (ähnlich einem Kreisel) hat dabei keinen Einfluss auf die Entstehung.

Der Einfallswinkel des Lichts am Eiskristall entspricht dabei dem Ausflallwinkel (logisch!). Sucht man im Raum all jene Punkte, bei denen ein Lichtstrahl von der Lampe ausgehend über den Eiskristall (Einfallswinkel = Auswfallswinkel) genau das Auge trifft, dann lässt sich bestimmen, wo dieser Eiskristall räumlich liegen muss. Ortet man viele Kristalle auf diese Weise, dann lässt sich darstellen, auf wlecher Linie die Kristalle verteilt schweben müssen, um die Lichtsäule zu verursachen. Die Seitenansicht (Abbildung links) zeigt den Verlauf der Kurven: das ist keine sichtbare Kurve, sondern die (nicht sichtbare) Seitenansicht der Lichtsäule.

Spätestens hier wird klar, warum die Lichtsäule relativ lichtschwach ausfällt, weil sie nur wenig auf begrenztem Raum entstehen kann (in der Darstellung auf der roten Linie).

Der Verlauf dieser Kurven ist abhängig vom Höhenunterschied zwischen Lampe und Betrachter. Je größer der Höhenunterschied, desto steiler wandern die Kurven nach oben und unten weg. In beiden Fällen nähern sie sich der Mittelsenkrechten (in Relation zur Horizontalen) an, berühren sie aber nicht.

Befindet sich die Lampe unterhalb des Betrachter, dann kehren sich die Kurven um. Es gilt:

  • hängt die Lampe höher als der Betrachter steht, dann befindet sich die obere Lichtsäule auf Lampenseite, die untere Lichtsäule auf Betrachterseite.
  • hängt die Lampe tiefer als der Betrachter steht, dann befindet sich die obere Lichtsäule auf Betrachterseite, die untere Lichtsäule auf Lampenseite.

In den Grafiken ist zu erkennen, dass der Boden die unteren Lichtsäulen jeweils deutlich begrenzt. Ragen Objekte (bsp. ein Baum oder Mauer) irgendwo in den Weg, den das Licht nehmen muss, dann kann keine untere Lichtsäule entstehen, obwohl das Betrachterauge diese vermuten würde.


Oberer Berührungsbogen

Für den oberen Berührungsbogen werden hexagonale Eiskristallsäulen benötiget. Diese dürfe nicht wahllos im Raum herum schwirren, sondern müssen unbedingt einfach orientiet sein:

Das heißt, sie müssen eine horizontale Ausrichtung besitzen, dürfen sich aber entlang der Längsachse drehen. Also so, wie wenn ein Holzbleistift über den Tisch rollt.

Der Lichtstrahl muss den Eiskristall durchwandern. Er muss dazu zu einer Seitenfläche eintreten und zur übernächsten den Lichtstrahl wieder verlassen. Dazwischen wird er gebrochen.Bei einfacher Orientierung entsteht so im Sonnenlicht der obere und untere Berührungsbogen, bzw. bei höherem Sonnenstand der umschriebene Halo.

Bei der Sonne gibt es allerdings nur eine Sonnenhöhe. Steht die Sonne 25° über dem Horizont, dann kann man den Bogen auch für 25° Sonnehöhe berechnen. Bei divergierenden Licht existieren mehrere Sonnenhöhen gleichzeitig. Das Licht kann sich von der Lampe also in sämtlichen Winkeln (je nach Art der Lampe) verbreiten und tritt entsprechen in sämtlich möglichen Winkeln auf einen Eiskristall.

Die Seitenansicht zeigt dabei die Position des unteren Scheitelpunkts des oberen Berührungsbogen. Betrachtet man nur diesen, dann würde sich der Bogen spindelförmig im Raum aufbauen. Betrachtet man zusätzlich den Verlauf des Berührungsbogen, dann ergäbe sich inetwa folgendes Bild:

Aus Sicht des Betrachters ergäbe sich dann eine Überlagerung all dieser durch unterschiedlichen Einfallswinkel entstandenen Bögen. Dabei muss die Lage im Raum beachtet werden.


Nebenlampe

Wie bei der Nebensonne im parallelen Sonnenlicht werden bei der Nebenlampe auch hexagonale Eiskristallplättchen mit horizonaler Orientierung benötigt.

Der Lichtstrahl muss den Eiskristall durchwandern. Er muss dazu zu einer Seitenfläche eintreten und zur übernächsten den Lichtstrahl wieder verlassen. Dazwischen wird er gebrochen. Das Eiskristallblättchen kann dabei um die vertikale Achse horizontal ausgerichtet rotieren.

Aufgrund dieser horizontalen Ausrichtung tritt die Nebenlampe nur in einem Winkel auf, nämlich dem Winkel zwischen der Horizontalen zur Achse Betrachter- Lampe.

Draufsicht!

In der Draufsicht wird hier ebenfalls eine linsenartige räumliche Verteilung erkennbar. Diese ist in der Seitenansicht flach. Da das Licht in vielen unterschiedlichen Winkeln in den Eiskristall fallen kann, verzerrt sich die Nebensonne auf die komplette Strecke zwischen der typischen Position der Nebensonne (etwa 22° mit möglicher Abwanderung durch höhere Lampenwinkel) und der Lampe. Aus Betrachtersicht schaut das dann etwa so aus:


Artikel wird bald weiter geschrieben …

2 Comments

  1. Hallo Christian,
    danke für den super interessanten und gut erklärten Artikel.
    Vielleicht hast du die Möglichkeit deine Seite noch um ein RSS-Feed zu ergänzen,
    dass deine Besucher automatisch informiert wenn du neue Ereignisse einfangen konntest.
    Grüße

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