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Un halo (del griego antiguo ἅλως ( hálōs ) 'sala de trilla, disco') [1] es un fenómeno óptico producido por la luz (normalmente del Sol o la Luna) que interactúa con cristales de hielo suspendidos en la atmósfera . Los halos pueden tener muchas formas, desde anillos de colores o blancos hasta arcos y manchas en el cielo. Muchos de ellos aparecen cerca del Sol o la Luna , pero otros se producen en otros lugares o incluso en la parte opuesta del cielo. Entre los tipos de halo más conocidos se encuentran el halo circular (propiamente llamado halo de 22° ), los pilares de luz y los parhelios , pero existen muchos otros; algunos son bastante comunes, mientras que otros son extremadamente raros.
Los cristales de hielo responsables de los halos suelen estar suspendidos en cirros o cirroestratos en la troposfera superior (5-10 km (3,1-6,2 mi)), pero en climas fríos también pueden flotar cerca del suelo, en cuyo caso se los conoce como polvo de diamante . La forma y orientación particulares de los cristales son responsables del tipo de halo observado. La luz es reflejada y refractada por los cristales de hielo y puede dividirse en colores debido a la dispersión . Los cristales se comportan como prismas y espejos , refractando y reflejando la luz entre sus caras, enviando rayos de luz en direcciones particulares.
Los fenómenos ópticos atmosféricos como los halos formaban parte de la tradición meteorológica, que era un medio empírico de predicción del tiempo antes de que se desarrollara la meteorología . A menudo indican que lloverá en las próximas 24 horas, ya que los cirroestratos que los provocan pueden indicar la aproximación de un sistema frontal.
Otros tipos comunes de fenómenos ópticos que involucran gotas de agua en lugar de cristales de hielo incluyen la gloria y el arco iris .
Aunque Aristóteles había mencionado halos y parhelios, en la antigüedad, las primeras descripciones europeas de manifestaciones complejas fueron las de Christoph Scheiner en Roma ( c. 1630 ), Johannes Hevelius en Danzig (1661) y Tobias Lowitz en San Petersburgo ( c. 1794 ). Los observadores chinos las habían registrado durante siglos, siendo la primera referencia una sección de la "Historia oficial de la dinastía Chin" ( Chin Shu ) en 637, sobre los "Diez Halos", que proporcionaba términos técnicos para 26 fenómenos de halos solares. [2]
Aunque se la conoce y cita a menudo por ser la representación en color más antigua de la ciudad de Estocolmo , Vädersolstavlan ( en sueco , "La pintura del parhelio", literalmente "La pintura del sol del tiempo") es posiblemente también una de las representaciones más antiguas conocidas de una exhibición de halo, que incluye un par de perros solares . Durante dos horas en la mañana del 20 de abril de 1535, los cielos sobre la ciudad se llenaron de círculos y arcos blancos que cruzaban el cielo, mientras que otros soles (es decir, parhelios) aparecieron alrededor del Sol.
Un pilar de luz, o pilar solar, aparece como un pilar o columna de luz vertical que se eleva desde el Sol cerca del amanecer o el atardecer, aunque puede aparecer debajo del Sol, en particular si el observador se encuentra a gran altura. Los cristales de hielo en forma de placa y columna hexagonales causan el fenómeno. Los cristales en forma de placa generalmente causan pilares solo cuando el Sol está a 6 grados del horizonte; los cristales en forma de columna pueden causar un pilar cuando el Sol está a 20 grados sobre el horizonte. Los cristales tienden a orientarse casi horizontalmente a medida que caen o flotan en el aire, y el ancho y la visibilidad de un pilar solar dependen de la alineación del cristal.
Los pilares de luz también pueden formarse alrededor de la Luna, y alrededor de farolas o de otras luces brillantes. Los pilares que se forman a partir de fuentes de luz terrestres pueden parecer mucho más altos que los asociados con el Sol o la Luna. Dado que el observador está más cerca de la fuente de luz, la orientación del cristal importa menos en la formación de estos pilares.
Entre los halos más conocidos se encuentra el halo de 22° , a menudo llamado simplemente "halo", que aparece como un gran anillo alrededor del Sol o la Luna con un radio de unos 22° (aproximadamente el ancho de una mano extendida con el brazo extendido). Los cristales de hielo que causan el halo de 22° están orientados de forma semialeatoria en la atmósfera, en contraste con la orientación horizontal requerida para algunos otros halos como los parhelios y los pilares de luz. Como resultado de las propiedades ópticas de los cristales de hielo involucrados, no se refleja luz hacia el interior del anillo, dejando el cielo notablemente más oscuro que el cielo que lo rodea y dándole la impresión de un "agujero en el cielo". [3] El halo de 22° no debe confundirse con la corona , que es un fenómeno óptico diferente causado por gotas de agua en lugar de cristales de hielo, y que tiene la apariencia de un disco multicolor en lugar de un anillo.
Otros halos pueden formarse a 46° del Sol , en el horizonte o alrededor del cenit , y pueden aparecer como halos completos o arcos incompletos.
Un anillo de Bottlinger es un tipo raro de halo que es elíptico en lugar de circular. Tiene un diámetro pequeño, lo que hace que sea muy difícil verlo en el resplandor del Sol y es más probable que se lo note alrededor del subsol más tenue , que a menudo se ve desde las cimas de las montañas o los aviones. Los anillos de Bottlinger aún no se comprenden bien. Se sugiere que están formados por cristales de hielo piramidales muy planos con caras en ángulos inusualmente bajos, suspendidos horizontalmente en la atmósfera. Estos requisitos precisos y físicamente problemáticos explicarían por qué el halo es muy raro. [4]
En el dialecto inglés de Cornualles, un halo alrededor del sol o la luna se llama ojo de gallo y es un presagio de mal tiempo. El término está relacionado con la palabra bretona kog-heol (gallo solar), que tiene el mismo significado. [5] En Nepal , el halo alrededor del sol se llama Indrasabha, con una connotación de la corte de asamblea del Señor Indra , el dios hindú del relámpago, el trueno y la lluvia. [6]
Los fenómenos naturales pueden reproducirse artificialmente por varios medios. En primer lugar, mediante simulaciones por ordenador [7] [8] o, en segundo lugar, por medios experimentales. En el caso de estos últimos, esto se produce cuando se hace girar un monocristal alrededor de los ejes apropiados o mediante un método químico. Un método experimental aún más indirecto consiste en encontrar geometrías de refracción análogas.
Este enfoque emplea el hecho de que en algunos casos la geometría promedio de refracción a través de un cristal de hielo puede ser imitada/remedada a través de la refracción a través de otro objeto geométrico. De esta manera, el arco circuncenital , el arco circunhorizontal y los arcos de Parry de la cueva solar pueden ser recreados por refracción a través de cuerpos estáticos rotacionalmente simétricos (es decir, no prismáticos). [9] Un experimento de mesa particularmente simple reproduce artificialmente los arcos circuncenital y circunhorizontal coloridos utilizando solo un vaso de agua. La refracción a través del cilindro de agua resulta ser (casi) idéntica a la refracción promediada rotacionalmente a través de un cristal de hielo hexagonal vertical/cristales orientados en placa, creando así arcos circuncenitales y circunhorizontales de colores vivos. De hecho, el experimento del vaso de agua a menudo se confunde con la representación de un arco iris y ha existido al menos desde 1920. [10]
Siguiendo la idea de Huygens del mecanismo (falso) de la parhelia de 22°, también se puede iluminar (de lado) un vaso cilíndrico lleno de agua con una obstrucción central interna de la mitad del diámetro del vaso para lograr, al proyectarlo en una pantalla, una apariencia que se asemeja mucho a la de la parhelia (cf. nota al pie [39] en Ref., [9] o véase aquí [11] ), un borde rojo interno que se transforma en una banda blanca en ángulos mayores a ambos lados de la dirección de transmisión directa. Sin embargo, aunque la coincidencia visual es cercana, este experimento en particular no implica un mecanismo cáustico falso y, por lo tanto, no es un análogo real.
Las primeras recetas químicas para generar halos artificiales fueron propuestas por Brewster y estudiadas más a fondo por A. Cornu en 1889. [12] La idea era generar cristales mediante la precipitación de una solución salina. Los innumerables cristales pequeños generados de este modo, al iluminarse con luz, causarán halos correspondientes a la geometría particular del cristal y la orientación/alineación. Existen varias recetas y se siguen descubriendo. [13] Los anillos son un resultado común de tales experimentos. [14] Pero también se han producido arcos de Parry artificialmente de esta manera. [15]
Los primeros estudios experimentales sobre los fenómenos de halo se han atribuido [16] a Auguste Bravais en 1847. [17] Bravais utilizó un prisma de vidrio equilátero que hizo girar alrededor de su eje vertical. Cuando se iluminó con luz blanca paralela, esto produjo un círculo parhélico artificial y muchos de los parhelios incrustados. De manera similar, A. Wegener utilizó cristales giratorios hexagonales para producir subparhelios artificiales. [18] En una versión más reciente de este experimento, se han encontrado muchos más parhelios incrustados utilizando cristales de vidrio BK7 hexagonales disponibles comercialmente [19] . [20] Experimentos simples como estos se pueden utilizar con fines educativos y experimentos de demostración. [13] [21] Desafortunadamente, utilizando cristales de vidrio no se puede reproducir el arco circuncenital o el arco circunhorizontal debido a las reflexiones internas totales que impiden las trayectorias de rayos requeridas cuando .
Incluso antes que Bravais, el científico italiano F. Venturi experimentó con prismas puntiagudos llenos de agua para demostrar el arco circuncenital. [22] [23] Sin embargo, esta explicación fue reemplazada más tarde por la explicación correcta de CZA por Bravais. [17]
Se han empleado cristales de hielo artificiales para crear halos que de otro modo serían inalcanzables con el método mecánico mediante el uso de cristales de vidrio, por ejemplo, arcos circuncenitales y circunhorizontales. [26] El uso de cristales de hielo garantiza que los halos generados tengan las mismas coordenadas angulares que los fenómenos naturales. Otros cristales, como el fluoruro de sodio (NaF), también tienen un índice de refracción cercano al del hielo y se han utilizado en el pasado. [27]
Para producir halos artificiales, como los arcos tangentes o el halo circunscrito, se debe rotar un único cristal hexagonal columnar sobre dos ejes. De manera similar, los arcos de Lowitz se pueden crear rotando un único cristal de placa sobre dos ejes. Esto se puede hacer mediante máquinas de halo diseñadas. La primera de estas máquinas se construyó en 2003; [28] le siguieron varias más. [25] [29] Si se colocan estas máquinas dentro de pantallas de proyección esféricas y se aplica el principio de la llamada transformación del cielo, [30] la analogía es casi perfecta. Una realización que utilice microversiones de las máquinas mencionadas anteriormente produce proyecciones auténticas sin distorsión de estos halos artificiales complejos. [9] [24] [25] Finalmente, la superposición de varias imágenes y proyecciones producidas por estas máquinas de halo se puede combinar para crear una única imagen. La imagen de superposición resultante es entonces una representación de pantallas de halos naturales complejos que contienen muchos conjuntos de prismas de hielo con diferentes orientaciones. [24] [25]
La reproducción experimental de halos circulares es la más difícil utilizando un solo cristal, mientras que es la más sencilla y normalmente se consigue utilizando recetas químicas. Utilizando un solo cristal, es necesario realizar todas las orientaciones 3D posibles del cristal. Esto se ha conseguido recientemente mediante dos enfoques. El primero, utilizando neumática y un sofisticado aparejo [29], y el segundo, utilizando una máquina de paseo aleatorio basada en Arduino que reorienta estocásticamente un cristal incrustado en una esfera transparente de paredes delgadas [21] .
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