Hào quang (hiện tượng quang học)

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Buớc tưới chuyển hướng Bước tới tìm kiếm
Một vầng hào quang 22° quanh mặt trời, được nhìn thấy trước trại cơ sở Annapurna, Annapurna, Nepal.

Hào quang (từ tiếng Hy Lạp ἅλως, halōs[1]) 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 sángmặt 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 chịu trách nhiệm về loại quầng 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 glorycầu vồng.

Lịch sử[sửa | sửa mã nguồn]

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.[2]

Trụ cột ánh sáng[sửa | sửa mã nguồn]

Bài chi tiết: Trụ cột ánh sáng

Một cột trụ ánh sáng hoặc cột mặt trời, xuất hiện dưới dạng cột trụ hoặc cột ánh sáng tăng từ đường chân trời gần lúc mặt trời lặn hoặc mặt trời mọc, mặc dù nó có thể xuất hiện dưới mặt trời, đặc biệt nếu người quan sát ở vị trí cao hoặc rất cao. Các tinh thể băng hình cột và cột hình lục giác gây ra hiện tượng này. Các tinh thể dạng tấm thường chỉ gây ra các trụ cột khi mặt trời nằm trong phạm vi 6 độ của đường chân trời, hoặc bên dưới nó; tinh thể cột có thể gây ra một cột trụ khi mặt trời cao tới 20 độ so với đường chân trời. Các tinh thể có xu hướng tự định hướng gần theo chiều ngang khi chúng rơi xuống hoặc trôi nổi trong không khí, và chiều rộng và khả năng hiển thị của một cột mặt trời phụ thuộc vào sự sắp xếp tinh thể.

Trụ cột sáng cũng có thể hình thành xung quanh mặt trăng, và xung quanh đèn đường hoặc đèn sáng khác. Trụ cột hình thành từ các nguồn ánh sáng mặt đất có thể xuất hiện cao hơn nhiều so với các cột có liên quan đến mặt trời hoặc mặt trăng. Vì người quan sát gần nguồn sáng hơn, hướng tinh thể ít quan trọng hơn trong việc hình thành các trụ cột này.

Hào quang tròn[sửa | sửa mã nguồn]

Trong số các loại hào quang nổi tiếng nhất là hào quang 22°, thường được gọi là "quầng", xuất hiện như một vòng lớn quanh mặt trời hoặc mặt trăng với bán kính khoảng 22° (gần bằng chiều rộng của một bàn tay dang rộng ở chiều dài cánh tay). Các tinh thể băng làm cho vầng hào quang 22° được định hướng bán ngẫu nhiên trong bầu khí quyển, trái ngược với hướng ngang cần thiết cho một số loại hào quang khác như mặt trời giảtrụ cột ánh sáng. Do tính chất quang học của các tinh thể băng có liên quan, không có ánh sáng phản xạ vào bên trong vòng cung này, khiến bầu trời trông tối hơn bầu trời xung quanh nó, và tạo cho nó ấn tượng về một "lỗ trên bầu trời".[3] Hào quang 22° không nên bị nhầm lẫn với vành nhật hoa, một hiện tượng quang học khác tạo thành các giọt nước thay vì các tinh thể băng, và có sự xuất hiện của một hào quang nhiều màu sắc hơn là hào quang 22°.

Các quầng sáng khác có thể hình thành các hào quang 46°, Parhelic circle hoặc circumzenithal arc, và có thể xuất hiện dưới dạng nửa đầy đủ hoặc vòng cung không đầy đủ.

Hào quang Bottlinger[sửa | sửa mã nguồn]

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.[4]

Tên khác[sửa | sửa mã nguồn]

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.[5] Ở Nepal, hào quang mặt trời được gọi là Indrasabha.[6]

Hào quang nhân tạo[sửa | sửa mã nguồn]

Các hiện tượng tự nhiên có thể được sao chép nhân tạo bằng nhiều phương tiện. Thứ nhất, bằng mô phỏng máy tính,[7][8] 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[sửa | sửa mã nguồn]

Thí nghiệm trình diễn khúc xạ tương tự cho Arc Circumzenithal.[9] Ở đây, nó bị nhầm lẫn là một cầu vồng nhân tạo trong cuốn sách của Gilberts[10]

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 arcParry arc có thể được tái tạo bằng phép khúc xạ thông qua các đối tượng tĩnh đối xứng (tức là không có lăng trụ).[9] 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.[10]

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[11]) 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[sửa | sửa mã nguồn]

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.[12] 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.[13] Tuy nhiên kết quả chung của các thí nghiệm là như vậy.[14] Nhưng Parry arc cũng được sản xuất nhân tạo theo cách này.

Phương pháp cơ học[sửa | sửa mã nguồn]

Trục đơn[sửa | sửa mã nguồn]

Các nghiên cứu thực nghiệm sớm nhất về hiện tượng hào quang đã được quy cho  Bravais vào năm 1847.[15] 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.[16] 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.[17] 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.[18] Tuy nhiên, lời giải thích này đã được thay thế bởi lời giải thích sau chính xác về Circumzenithal arc bởi Bravais.

Hào quang nhân tạo chiếu trên màn hình hình cầu. Có thể nhìn thấy là: Đường tiếp tuyến, (phụ) parhelia, vòng tròn parhelic, vòng cung heliac.

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 .[19] 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.[20]

Hai trục[sửa | sửa mã nguồn]

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;[20] 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,[21] 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.[22][23][24] 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.[23][25]

Ba trục[sửa | sửa mã nguồn]

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,[26] 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.[27]

Thư viện ảnh[sửa | sửa mã nguồn]

Xem thêm[sửa | sửa mã nguồn]

Tham khảo[sửa | sửa mã nguồn]

  1. ^ Harper, Douglas. “halo”. Online Etymology Dictionary.  ἅλως. Liddell, Henry George; Scott, Robert; A Greek–English Lexicon at the Perseus Project.
  2. ^ Ho Ping-Yu, Joseph Needham Ancient Chinese Observations of Solar Haloes and Parhelia Weather April 1959 (vol14, issue 4) p124-134
  3. ^ "Disk with a hole" in the sky”. Atmospheric Optics. Truy cập ngày 3 tháng 8 năm 2016. 
  4. ^ Les Cowley. “Bottlinger's Ring”. Atmospheric Optics. Truy cập ngày 1 tháng 6 năm 2018. 
  5. ^ Nance, Robert Morton; Pool, P. A. S. (1963). A Glossary of Cornish Sea-Words. Cornwall: Federation of Old Cornwall Societies. tr. 61. 
  6. ^ “Nepal skies graced with extraordinary ‘circular rainbow’ halo around sun”. The Himalayan Times. Ngày 9 tháng 7 năm 2015. Truy cập ngày 1 tháng 6 năm 2018. 
  7. ^ HaloSim3 by Les Cowley and Michael Schroeder link
  8. ^ HaloPoint 2.0 link Lưu trữ ngày 7 tháng 10 năm 2016, tại Wayback Machine.
  9. ^ a ă "Artificial circumzenithal and circumhorizontal arcs", M. Selmke and S. Selmke, American Journal of Physics (Am. J. Phys.) Vol 85(8), p.575-581 link
  10. ^ a ă Gilbert light experiments for boys – (1920), p. 98, Experiment No. 94 link
  11. ^ Webpage detailing several DIY experiments link
  12. ^ “Sur la reproduction artificielle des halos et des cercles parh eliques”, Comtes Rendus Ac. Paris 108, 429–433, A. Cornu, 1889.
  13. ^ “Laboratory experiments in atmospheric optics”, Opt. Express 37(9), 1557–1568, M. Vollmer and R. Tammer, 1998. link
  14. ^ “Bảng phân phối ánh sáng phân kỳ”. Truy cập 1 tháng 6 năm 2018. 
  15. ^ "Mémoire sur les halos et les phénomènes optiques qui les accompagnent", 1847, J. de l'École Royale Polytechnique 31(18), p.1-270, §XXIV – Reproduction artificielle des phénomènes optiques dus à des prismes à axe vertical, Figures: PL I: Fig. 48, PL II: Fig: 49-54.
  16. ^ “Die Nebensonnen unter dem Horizont,” Meteorol. Z. 34–52(8/ 9), 295–298, A. Wegner, 1917.
  17. ^ Homogenizing Light rods / Light pipes link
  18. ^ “bibliogroup:"Physikalisches Wörterbuch, neu bearbeitet von Brandes. Gmelin. Horner. Muncke. Pfaff". Truy cập 1 tháng 6 năm 2018. 
  19. ^ Homepage: Arbeitskreis Meteore e.V. link
  20. ^ a ă "An Analog Light Scattering Experiment of Hexagonal Icelike Particles. Part II: Experimental and Theoretical Results", JOURNAL OF THE ATMOSPHERIC SCIENCES, Vol. 56, B. Barkey, K.N. Liou, Y. Takano, W. Gellerman, P. Sokolkly, 1999.
  21. ^ “The sky transform ~ Why do we see patterns in the sky, rainbows, halos, glories.. ?”. Truy cập 1 tháng 6 năm 2018. 
  22. ^ “Artificial circumzenithal and circumhorizontal arcs featured”. Truy cập 1 tháng 6 năm 2018. 
  23. ^ a ă “We Recreate Beautiful Atmospheric Ice Halos Using Spinning Glass Crystals”. Truy cập 1 tháng 6 năm 2018. 
  24. ^ “Complex artificial halos for the classroom”. Truy cập 1 tháng 6 năm 2018. 
  25. ^ “Complex artificial halos for the classroom”. Truy cập 1 tháng 6 năm 2018. 
  26. ^ “Artificially generated halos: rotating sample crystals around various axes”. Truy cập 1 tháng 6 năm 2018. 
  27. ^ “Artificial halos”. Truy cập 1 tháng 6 năm 2018. 

Liên kết ngoài[sửa | sửa mã nguồn]