Ученые Хельсинкского и Уральского федерального университетов Ярмо Мойланен и Мария Грицевич впервые за историю наблюдений систематизировали сведения обо всех формах атмосферных гало, зафиксированных человечеством на конец 2021 года. Из многочисленных источников данных о наблюдениях гало, история которых насчитывает 4-5 тысячелетий, на сегодня известно о 119 различных формах атмосферных гало (существуют также внеатмосферные гало и гало, которые можно разглядеть на различных поверхностях).
Гало из алмазной пыли. Сделано 12 декабря 2010 года в Темпере (Финляндия) / ©Марко Рийконен
Статья с описанием работы опубликована в Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. Атмосферные гало — это явление рассеяния света, вызванное скоплением в атмосфере кристаллов водяного льда размером менее 10 микрометров. Сочетание формы кристаллов льда (или минералов), их ориентации и путей прохождения лучей света через кристаллы определяет конфигурацию гало, будь то цветные или белые кольца, пятна или дуги. Другими словами, по форме гало можно судить о типах кристаллов льда, присутствующих в атмосфере.
Гало можно наблюдать невооруженным глазом на всех уровнях тропосферы — нижних слоях атмосферы высотой 8-18 км. Чаще всего гало видны в высоких ледяных облаках: в облаках среднего или нижнего уровня кристаллы льда часто слишком слабы с оптической точки зрения, чтобы создавать гало. Большинство лучших проявлений гало наблюдалось в облаках мельчайших ледяных кристаллов в приземном слое атмосферы — так называемой алмазной пыли.
Самым древним упоминаниям о гало от 4 до 5 тысяч лет: сведения о гало зафиксированы на клинописных табличках шумеро-вавилонской культуры. Во времена Аристотеля было известно, по крайней мере, о трех формах гало. Одно из старейших наблюдений гало в Иерусалиме датировано началом XII века. К 1820 году число зарегистрированных гало составляло порядка 20, к 1990-му — 60. С тех пор количество зарегистрированных гало удвоилось и сейчас составляет 119.
Значительный прогресс в документировании гало произошел в связи с распространением мобильных телефонов с фото- и видеокамерами. Авторы статьи призывают широкую общественность фиксировать наблюдаемые гало и, таким образом, вносить вклад в исследования этих явлений и в открытие новых. Так, запуск автоматической камеры в Париже в начале 2010-х годов дал представление о том, насколько устарела прежняя статистика: оказалось, что некоторые гало, которые считались чрезвычайно редкими, распространены гораздо шире.
Быстрый рост количества новых гало в 2007-2008 и 2016-2017 годах (в общей сложности 24 новых гало) во многом обусловлен активной «охотой» за ними энтузиаста Марко Рийконена, который фотографировал гало, образованные кристаллами льда, созданными снежными пушками на горнолыжных курортах Финляндии.
Усилия ученых из России и Финляндии позволили обобщить все накопленные знания об атмосферных гало и провести обзор условий (температуры, влажности и так далее), необходимых для формирования в атмосфере кристаллов льда или других минералов, рассеивающих свет и таким образом участвующих в образовании гало.
Кроме того, авторы статьи обозначили пробелы в исследованиях атмосферных гало и перспективные методы наблюдений и обработки полученных данных. В их числе — новые методы цифровой фотографии, которые применяются для улучшения качества документирования атмосферных гало и ведут к открытию их новых форм.
Ученые сгруппировали атмосферные гало в категории часто наблюдаемых и редко встречающихся. Считается, что, если определенная форма гало наблюдается не реже раза в год, она относится к первой категории; гало с редкой конфигурацией источников света, ориентацией или необычной формой кристаллов составляют лишь около одного процента от всех наблюдаемых гало.
Часто наблюдаемые гало обычно образуются рассеиванием, преломлением и фокусировкой света шестиугольными кристаллами льда с неупорядоченной, горизонтальной или вертикальной ориентацией. Основными источниками света, вызывающими гало, являются Солнце и Луна, а также искусственные источники. Редкие гало, в свою очередь, подразделяются на те, чье происхождение установлено, и еще недостаточно изученные и пока не поддающиеся моделированию — экзотические.
«Как правило, гало образуются в результате взаимодействия света с шестиугольными кристаллами водяного льда. Однако некоторые из задокументированных, экзотические, гало не могут быть объяснены таким образом. К примеру, тайны происхождения некоторых эллиптических и круглых гало не разгаданы с момента их обнаружения в начале ХХ века. В числе загадочных и так называемая дуга Мойланенa, впервые зафиксированная мною в 1995 году», — рассказывает Ярмо Мойланен, соавтор статьи, научный сотрудник Финского института геопространственных исследований, аспирант Хельсинского университета.
В случае с экзотическими гало наука предположительно имеет дело с аномальными формами кристаллов (например, кубическими кристаллами водяного льда), с их неоднородностью или с кристаллами каких-либо еще минералов, рассеянными в воздухе. Однако то, какими именно должны быть кристаллы льда и пути лучей, которые проходят через эти кристаллы, чтобы образовалось гало той или иной экзотической формы, неясно до сих пор.
«Исследователи предполагают, что необычная форма экзотических гало объясняется антропогенными факторами, такими как выбросы в атмосферу или влияние сильного электромагнитного поля высоковольтных линий электропередач, которое может нарушить ориентацию кристаллов льда в воздухе. Чтобы разгадать подобные загадки, в атмосфере были специально собраны образцы ледяных кристаллов, образующих экзотические гало, но и этот опыт дал больше вопросов, чем ответов», — подчеркивает Мария Грицевич, доцент Хельсинского университета, старший научный сотрудник Финского института геопространственных исследований и Уральского федерального университета.
Наконец, интересны гало, образующиеся в атмосферах Венеры, Марса, Юпитера и их спутников. Так, гало, образованные кристаллами льда, зафиксированы в атмосфере Марса. «Это наблюдение доказывает, что в атмосфере Марса существуют облака гексагональных кристаллов водяного льда, либо других минералов. Есть предположения и о том, что гало могли быть образованы прозрачными и оптически достаточно твердыми кристаллами диоксида углерода. Компьютерное моделирование факторов, при наличии которых возможно образование гало, даст ценную информацию о состоянии марсианской атмосферы», — добавляет Мария Грицевич.
