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Tiefer Blick in die Mechanismen von Halos

27.08.2015

Forscher der Universität Leipzig haben in Experimenten tiefe Einblicke in die Mechanismen sogenannter Halos bekommen. Dr. Markus Selmke vom Institut für Experimentelle Physik I und Sarah Borchardt, Lehramtstudentin der Universität Leipzig für die Fächer Mathematik und Physik, erzeugten mit einem speziellen Glaskörper künstliche Halos. In der Natur sind sie ein Phänomen der atmosphärischen Optik, das sich in den hohen und damit kalten Zirrus-Wolken abspielt.

Erzeugt werden Eis-Halos durch Brechung und Reflexion des Sonnenlichts an winzigen Eiskristallen. Am häufigsten zu sehen sind typischerweise zwei Formen von Halos: Die Nebensonnen genannten vornehmlich rötlichen Flecke links und rechts von der Sonne sowie das kreisrunde 22°-Halo, das als rötlicher Kreis um die Sonne herum erscheint.


Bild der Halo-Maschine: Die Motoren drehen das in der transparenten Kugel eingefasste Prisma um alle drei Raumachsen.

Foto: Markus Selmke


Beleuchtetes Prisma - unterschiedliche austretende Lichtsäulen entsprechen teils komplizierten Strahlenpfaden des einfallenden Lichtes durch das Prisma. Foto: Markus Selmke

Ausgangspunkt für die Untersuchungen war ein Experiment, das Selmke bei der "Langen Nacht der Wissenschaften" im Sommer vergangenen Jahres vorgeführt hatte. Selmke und Borchardt versetzten ein sechseckiges Prisma in Rotation, um die verschiedenen Orientierungen von vielen Eis-Kristallen zu simulieren.

Bei Beleuchtung verteilten sich die gebrochenen und reflektierten Strahlen mit unterschiedlicher Intensität. Die beiden Forscher ermittelten dies in ihrem Experiment bis ins Detail und beschrieben die Vorgänge auch theoretisch. Die Ergebnisse sind kürzlich im renommierten Fachjournal für atmosphärische Optik, "Applied Optics", erschienen.

Ihre quantitative Analyse erweitert und bereichert damit den experimentellen Ansatz von Auguste Bravais, welcher bereits vor dem Jahre 1847 ähnliche Experimente durchführte. Durch die theoretische Modellierung konnten erstmals detailliert einzelne Bestandteile des sogenannten Horizontalkreis-Halos beschrieben und die Winkelkoordinaten weiterer schwächerer Nebensonnen-Halos bestimmt werden.

Ein nahezu parallel erschienener Artikel von Markus Selmke im Fachjournal "American Journal of Physics" widmet sich vornehmlich der didaktischen Vermittlung von Halo-Phänomenen im Physik-Studium an Universitäten. Neben einer vereinfachten Version des Rotationsexperiments um eine einzelne feste Raum-Achse wird darin eine Maschine beschrieben, die ein künstliches Gegenstück zum kreisrunden 22°-Halo erzeugt.

Hierfür baute Selmke eine Apparatur, die eine Hohlkugel zufällig um alle drei Raum-Achsen dreht. Das Prisma wurde dabei in die Hohlkugel eingepasst, sodass der Zufallsmechanismus alle Orientierungen des künstlichen Kristalls realisiert. Unter Beleuchtung erscheint dann ein kreisrundes Halo bei entsprechend langer fotografischer Belichtung.

Das Verständnis von atmosphärischen Phänomenen führte in der Vergangenheit zu weiterführenden Anwendungen und Erkenntnissen. So kann beispielsweise die Regenbogen-Refraktometrie - eine Art Tröpfchen-Spektroskopie - Auskunft geben über die Eigenschaften von Wolken, auf der Erde und auf anderen Welten wie dem Planeten Venus und dem Mond Titan. Ähnlich können auch Eis-Halos Informationen über atmosphärischen Bedingungen beinhalten. Nicht zuletzt mit Blick auf die Klimaforschung und dem dabei großen Einfluss von Wolken ist ein detailliertes Verständnis wertvoll. 2006 wurde erstmals ein sogenanntes Exo-Halo auf dem Mars vom "Mars Global Surveyor" Satelliten fotografiert.

Links zu den Publikationen:

American Journal of Physics: "Artificial halos": http://scitation.aip.org/content/aapt/journal/ajp/83/9/10.1119/1.4923458, DOI: 10.1119/1.4923458

Applied Optics: "Intensity distribution of the parhelic circle and embedded parhelia at zero solar elevation: theory and experiments": https://www.osapublishing.org/abstract.cfm?uri=ao-54-22-6608, DOI: 10.1364/AO.54.006608

Weitere Informationen:

Dr. Markus Selmke
E-Mail: markus.selmke@gmx.de

Sarah Borchardt
E-Mail: borchardt.Berkholz@freenet.de

Prof. Dr. Frank Cichos
Abteilung Molekulare Nanophotonik Universität Leipzig
Telefon: +49 341 97-32571
E-Mail: cichos@physik.uni-leipzig.de

Susann Huster | Universität Leipzig

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