ハロー（光学現象）

ハロー（古代ギリシャ語のἅλως ( hálōs )  「脱穀場、円盤」に由来）^[1]は、光（通常は太陽または月からのもの）が大気中に浮遊する氷の結晶と相互作用することによって生じる光学現象です。ハローには、色付きまたは白色のリングから、空に弧や斑点に至るまで、さまざまな形があります。これらの多くは太陽または月の近くに現れますが、他の場所や空の反対側に発生するものもあります。最もよく知られているハローの種類には、円形ハロー（正確には22°ハローと呼ばれる）、光柱、サンドッグがありますが、他にも多くのハローが発生します。かなり一般的なものもあれば、非常にまれなものもあります。

ハローの原因となる氷晶は、通常、上層圏（5～10 km）の巻雲または巻層雲の中に浮遊していますが、寒冷時には地表近くに浮遊することがあり、その場合はダイヤモンドダストと呼ばれます。結晶の特定の形状と方向が、観察されるハローの種類を決定します。光は氷晶によって反射および屈折し、分散のために色に分割される場合があります。結晶はプリズムや鏡のように動作し、面の間で光を屈折および反射して、特定の方向に光線を送ります。

ハローのような大気光学現象は、気象学が発達する以前は気象予報の経験的手段であった気象伝説の一部でした。ハローを引き起こす巻層雲は前線が近づいていることを示しているため、ハローは24時間以内に雨が降ることを示すことが多いのです。

氷の結晶ではなく水滴が関係する他の一般的な光学現象には、グローリーやレインボーなどがあります。

アリストテレスは古代においてハローとパレリアについて言及していたが、複雑な現象に関する最初のヨーロッパでの記述は、ローマのクリストフ・シャイナー（  1630年頃）、ダンツィヒのヨハネス・ヘヴェリウス（1661年）、サンクトペテルブルクのトビアス・ロウィッツ（ 1794年頃）によるものであった。中国の観測者は数世紀にわたってこれらを記録しており、最初の言及は637年の『秦王朝正史』（秦書）の「十暈」に関する部分であり、26の太陽暈現象に専門用語が与えられている。^[2]

ストックホルムの街を描いた最古の色彩画として広く知られ、しばしば引用される「ヴェーデルソルスタヴラン」（スウェーデン語で「太陽の犬の絵」、文字通り「天気の太陽の絵」）は、一対の太陽犬を含む光輪の描写としてもおそらく最古のものである。1535年4月20日の朝の2時間、街の上空は空を横切る白い円と弧で満たされ、太陽の周りには追加の太陽（つまり太陽犬）が現れた。

光柱、または太陽柱は、日没または日の出近くに太陽から昇る垂直の柱または光の柱として現れますが、特に観察者が高所または高度にいる場合は、太陽の下に現れることもあります。この現象は、六角形の板状および柱状の氷の結晶によって発生します。板状の結晶は、通常、太陽が地平線から 6 度以内にある場合にのみ柱を引き起こします。柱状の結晶は、太陽が地平線から 20 度の高さにあるときにも柱を引き起こす可能性があります。結晶は、空中を落下または浮遊するときにほぼ水平に向く傾向があり、太陽柱の幅と視認性は結晶の配置によって異なります。

光柱は、月や街灯などの明るい光の周囲にも形成されることがあります。地上の光源から形成される光柱は、太陽や月に関連する光柱よりもはるかに高く見えることがあります。観察者は光源に近いため、これらの光柱の形成において結晶の方向はあまり重要ではありません。

最もよく知られているハローの 1 つに、 22° ハロー(単に「ハロー」と呼ばれることが多い) があります。これは、太陽または月を囲む半径約 22° (腕を伸ばした手の幅とほぼ同じ) の大きなリングとして現れます。22° ハローの原因となる氷の結晶は、大気中で半ランダムに配向しており、サン ドッグや光柱などの他のハローに必要な水平配向とは対照的です。関与する氷の結晶の光学特性の結果として、リングの内側に向かって光が反射されないため、空は周囲の空よりも著しく暗くなり、「空に穴が開いた」ような印象を与えます。^{[3] 22° ハローを}コロナと混同しないでください。コロナは氷の結晶ではなく水滴によって引き起こされる別の光学現象であり、リングではなく多色のディスクの外観をしています。

その他のハローは、太陽に対して 46°、地平線、または天頂付近に形成され、完全なハローまたは不完全な弧として現れることがあります。

ボトリンガーリングは、円形ではなく楕円形の珍しいタイプのハローです。直径が小さいため、太陽のまぶしい光の中では非常に見えにくく、山頂や飛行機から見える暗い太陽の周りでより目立つようになります。ボトリンガーリングはまだよく理解されていません。非常に平らなピラミッド型の氷の結晶が異常に低い角度で面を向けて大気中に水平に浮かんで形成されると考えられています。これらの厳密で物理的に問題のある要件は、ハローが非常にまれである理由を説明しています。^[4]

英語のコーンウォール方言では、太陽や月の周りの光輪はcock's eyeと呼ばれ、悪天候の前兆とされる。この用語は、同じ意味を持つブルトン語のkog-heol （太陽の雄鶏）に関連している。 ^[5]ネパールでは、太陽の周りの光輪はIndrasabhaと呼ばれ、ヒンズー教の雷、雷雨の神であるインドラ神の集会所を暗示している。 ^[6]

自然現象は、いくつかの方法で人工的に再現することができます。第一に、コンピューターシミュレーション^{[7] [8]}、または第二に実験的手段です。後者に関しては、これは単一の結晶が適切な軸の周りを回転したときに発生します。または化学的なアプローチです。さらに間接的な実験的アプローチは、類似の屈折形状を見つけることです。

このアプローチは、氷結晶を通した屈折の平均幾何学が、別の幾何学的物体を通した屈折によって模倣される場合があるという事実を利用しています。このようにして、天頂円弧、水平円弧、太陽洞窟のパリー円弧は、回転対称（つまり、非柱状）の静止物体を通した屈折によって再現できます。^[9]特に簡単な卓上実験では、水ガラスのみを使用して、色鮮やかな天頂円弧と水平円弧を人工的に再現します。水の入った円筒を通した屈折は、直立した六角形の氷結晶/板状結晶を通した回転平均屈折と（ほぼ）同一であることが判明し、鮮やかな色の天頂円弧と水平円弧が作成されます。実際、水ガラスの実験は、虹を表していると混同されることが多く、少なくとも1920年以来存在しています。^[10]

ホイヘンスの 22° パレリアの（偽の）メカニズムの考えに従えば、水を満たした円筒形のガラスを（側面から）照らし、ガラスの直径の半分の大きさの中央の障害物を内側に置き、スクリーンに投影すると、パレリアに非常によく似た外観（文献^[9]の脚注 [39] を参照、またはここ^[11]を参照）が得られる。これは、直接透過方向の両側で、内側の赤い縁がより大きな角度で白い帯に変化するというものである。しかし、視覚的な一致は近いものの、この特定の実験は偽のコースティックメカニズムを含まないため、実際の類似物ではない。

人工的なハローを生成するための最も初期の化学レシピは、ブリュースターによって提唱され、1889年にA.コルヌによってさらに研究されました。 ^[12]そのアイデアは、塩溶液を沈殿させて結晶を生成するというものでした。こうして生成された無数の小さな結晶は、光を当てると、特定の結晶形状と方向/配列に対応するハローを引き起こします。いくつかのレシピが存在し、発見され続けています。^[13]リングは、このような実験の一般的な結果です。^[14]しかし、パリーアークもこの方法で人工的に生成されています。^[15]

ハロー現象に関する最も古い実験的研究は、1847年のオーギュスト・ブラヴェによるものとされている^[16]。[17]ブラヴェは正三角形のガラスプリズムを使用し、これを垂直軸の周りを回転させた。平行な白色光で照らされると、人工の近赤道円と多くの埋め込まれた近赤道円が生成された。同様に、A.ウェゲナーは人工のサブ近赤道円を生成するために六角形の回転結晶を使用した。^[18]この実験のより新しいバージョンでは、市販の^[19]六角形BK7ガラス結晶を使用して、より多くの埋め込まれた近赤道円が発見されている。^[20]このような単純な実験は、教育目的やデモンストレーション実験に使用することができる。^{[13] [21]}残念ながら、ガラス結晶を使用すると、全内部反射によって必要な光線経路が妨げられるため、周天頂弧や周水平弧を再現することはできない。 ${\displaystyle n<{\sqrt {2}}}$

ブラヴェよりもさらに以前に、イタリアの科学者F.ベンチュリは、尖った水を満たしたプリズムを使って周天頂弧を実証する実験を行った。^{[22] [23]}しかし、この説明は後にブラヴェによるCZAの正しい説明に置き換えられた。^[17]

人工の氷結晶は、ガラス結晶を用いた機械的アプローチでは実現できない環天頂弧や環水平弧などのハローを作り出すために使われてきました。^{[26]氷結晶の使用により、生成されたハローが自然現象と同じ角度座標を持つことが保証されます。}フッ化ナトリウム（NaF）などの他の結晶も氷に近い屈折率を持ち、過去に使用されました。^[27]

接線アークや外接ハローなどの人工ハローを生成するには、単一の柱状六角形結晶を 2 軸の周りで回転させる必要があります。同様に、ロウィッツ アークは単一の板状結晶を 2 軸の周りで回転させることによって生成できます。これは、設計されたハロー マシンによって実行できます。最初のこのようなマシンは 2003 年に構築され、^[28]その後もいくつかのマシンが構築されました。^{[25] [29]}このようなマシンを球状の投影スクリーン内に配置し、いわゆるスカイ トランスフォームの原理によって、^[30]アナロジーはほぼ完璧です。前述のマシンのマイクロ バージョンを使用して実現すると、このような複雑な人工ハローの本物の歪みのない投影が生成されます。^{[9] [24] [25]}最後に、このようなハロー マシンによって生成された複数の画像と投影を重ね合わせて、1 つの画像を作成することができます。結果として得られる重ね合わせ画像は、多くの異なる方向の氷プリズムのセットを含む複雑な自然ハロー表示の表現になります。^{[24] [25]}

円形ハローの実験的再現は、単一の結晶のみを使用する場合は最も困難ですが、化学的なレシピを使用すると最も簡単に実現できます。単一の結晶を使用する場合、結晶の可能なすべての3D方向を実現する必要があります。これは最近、2つのアプローチによって実現されました。1つ目は空気圧と高度なリギングを使用する方法、^[29]、2つ目は透明な薄壁球に埋め込まれた結晶を確率的に再配向するArduinoベースのランダムウォークマシンを使用する方法です。^[21]

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  2017 年 3 月 25 日、マドリードで撮影された、太陽の環とその他の光輪の 360 度パノラマ写真
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  2023年2月12日、スノーパインリフト近くのアルタスキー場の太陽ハロ
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  夜間の月暈の長時間露光画像。上部接線弧、22°暈、およびパラセレニック円を含む。
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  外接ハロー（外側のリング、左下と左上/右上に部分的に見える）と 22° ハロー（内側のリング）
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  サンフランシスコの太陽柱
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  2009 年 10 月 2 日午前 11 時 9 分、インドネシア、パダンの PT Semen Padang ビル上空の太陽の周囲22° ハロー
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  サーマルカメラで見た、22°ハロー付近の氷晶の原因となる大気温度(°C)。ハロー自体は熱スペクトルには存在しません。画像の上部に太陽が部分的に見えます。
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  2015 年 1 月 23 日、16 : 30 の日没時にフランス、ローヌ＝アルプ地方、レ・メニュイール (標高 ≈ 2200 メートル) で観測された複雑なハロー現象 ( 22 ° ハロー、サンドッグ、上部接線アーク、上部および下部太陽柱、近赤道円、上側アーク)。
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  ホーエロツコプフのサン・ドッグと太陽/ドイツ- 2017 年 7 月 15 日
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  ピラミッド型の氷結晶によって生じた、比較的珍しい 9° ハロー (内輪) と外接ハロー (外輪)。オランダ、ミッドスランド、2019 年。
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  2021年5月24日午後12時15分、インド、バンガロールのVBHCセリーンタウン上空の太陽の周囲22°ハロー
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  太陽ハロー、米国フロリダ州シーダーキー、2021年11月1日、東部標準時15時26分頃
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  アルゼンチン、ブエノスアイレスの太陽の周りのハロ（2022年12月10日）
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  サンフランシスコ湾上の太陽柱と上部接線弧。2023 年 4 月 9 日。
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  2021年5月24日、チクマガルルのココナッツの木の後ろの22°月暈
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  インド、タミル・ナードゥ州コインバトールの太陽の周りのハロ（2023年9月25日午前11時45分）
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  2020年11月30日午前1時16分28秒（東部標準時）に米国ニューヨーク市上空で22°のハローを持つ月
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  ミシガン州グレンアーバーの太陽の周りに現れるハロ（2024 年 5 月 28 日）

Wikimedia Commons には Halo に関連するメディアがあります。

• Atmospheric Optics のハローの説明と画像ギャラリー
• Meteoros AKM – ハローの説明と画像ギャラリー（ドイツ語）
• 世界中の興味深いハロー観測に関するハローレポート
• 南半球のハローとその他の大気現象
• キシナウ モルドバのハロー (写真とビデオ)
• ウォルター・テープ & ヤルモ・モイランネン、「大気のハローと角度 x の探求」(無料電子書籍)
• ハロー現象 – ハイパーフィジックス