Optische verschijnselen: alles over halo's en regenbogen

De mooiste lichtspeling aan de hemel is toch wel de regenboog. Geen enkel ander verschijnsel heeft zoveel kleurenpracht. Zoals waarschijnlijk bekend wordt de regenboog veroorzaakt door regendruppels. Hieraan dankt de regenboog dan ook zijn naam. Maar hoe ontstaat nou precies een regenboog?

Lichtstralen afkomstig van de zon komen op de regendruppels terecht. Binnen een regendruppel worden de stralen gereflecteerd en gebroken (zie figuur 1a) Uiteindelijk komt de lichtstraal weer naar buiten, maar nu in een heel andere richting dan waar
hij vandaan kwam. De hoek tussen de oorspronkelijke richting en de nieuwe richting van de straal bedraagt ongeveer 42 graden.

Figuur 1
a) Lichtstralen die de hoofdboog vormen worden in de druppel twee keer weerkaatst tegen de binnenwand.
b) De bijboog wordt gevormd door zonnestralen die binnen de druppel drie keer worden weerkaatst.

Het geheim van de regenboog zit hem in het volgende: tijdens de reis door de regendruppel wordt het licht gesplitst, net als bij een prisma. Wit licht van de zon bestaat namelijk uit verschillende kleuren. De kleuren die we met onze ogen duidelijk kunnen onderscheiden zijn, rood, oranje, geel, groen, blauw en violet. Rood licht wordt het minst afgebogen door de druppel, oranje iets meer, enzovoort. Violet wordt van alle kleuren het meest afgebogen.
Als je nu naar het rode deel van de regenboog kijkt, kijk je naar regendruppels die het rode licht naar jou toe sturen. De andere kleuren lichtstralen die van deze druppel af komen worden echter onder een hogere hoek afgebogen en komen niet in je oog terecht (zie figuur 2). Ze gaan over je heen. Daardoor zie je in die richting alleen maar rood. Kijk je nu naar het gele deel van de regenboog, dan kijk je naar regendruppels die het gele licht precies in jouw richting sturen. De rode en oranje stralen van deze druppels worden minder afgebogen en komen als het ware ergens voor je op de grond terecht. De groene, blauwe en violette stralen worden juist meer afgebogen dan geel en vliegen over je hoofd heen.
Wanneer je nu naar het violette deel kijkt, zie je het violette licht wat de regendruppels in dat deel van de regenboog naar jou toe sturen. Alle andere kleuren licht van deze druppels komen ergens voor je op de grond terecht. Op deze manier vormt zich een regenboog met rood aan de buitenkant en violet aan de binnenkant.

Figuur 2

Eigenlijk zou je een hele cirkel moeten zien, maar omdat de meeste regen boven de horizon te zien is, zie je alleen hier een halve boog. Beneden de horizon is bijna geen regen en hier zie je hem dus niet. Nou ja, soms kun je net onder de horizon de regenboog een stukje zien doorlopen. Je ziet bijvoorbeeld dat de regenboog voor een bos of een auto langs gaat. Dat betekent dat het tussen jou en die auto of boom ook regent.
Je kent vast wel het verhaal dat bij het einde van de regenboog een pot goud te vinden is. Als iemand hierin zou geloven en er achteraan zou gaan, dan komt hij flink bedrogen uit. Als hij zich namelijk verplaatst, gaat de regenboog gewoon met hem mee. De regenboog is er namelijk niet echt, maar wordt alleen maar veroorzaakt door licht uit verschillende richtingen. Als je er naar toe loopt, lijkt de regenboog net zoveel stappen achteruit te gaan.
De regenboog heeft een vaste doorsnede van ongeveer 84 (twee keer 42) graden en is te zien rondom een punt recht tegenover de zon. Staat de zon hoger dan 42 graden aan de hemel, dan kan de regenboog dus niet te zien zijn. De regenboog ligt dan als het ware onder de horizon.
Meestal is om de regenboog een tweede boog te zien. Deze tweede regenboog, die altijd veel zwakker is dan gewone regenboog, heet de bijboog. De “gewone”, heldere regenboog wordt ook wel de hoofdboog genoemd. De bijboog wordt gevormd door zonnestralen die binnen de druppel drie keer weerkaatst worden. Deze verlaten de druppel onder een hoek van 51 graden ten opzichte van de invallende zonnestralen.
Mensen zijn vaak verbaasd als ze de bijboog zien en denken dat hij heel zeldzaam is. Niets is echter minder waar; vrijwel altijd is deze bijboog om de hoofdboog te zien. Hij valt alleen minder op.

De kleuren van de bijboog zijn omgekeerd; rood zit aan de binnenkant en violet aan de buitenkant. Misschien is je wel eens opgevallen dat de lucht tussen de hoofdboog en de bijboog donkerder is dan de lucht buiten de bogen. Dit heeft ook met de afbuiging van het licht te maken en staat uitgelegd in het kaderstukje.

Figuur 3: Foto van de hoofdboog en de bijboog. Binnen de hoofdboog zie je een aantal overtallige bogen.

Soms zie je aan de binnenkant van de regenboog extra boogjes. Deze zijn meestal afwisselend roze en groen. Soms kun je er wel vijf zien! Deze bogen heten overtallige bogen en zijn het best te zien als de regendruppels groot zijn. Als de regendruppels kleiner worden verdwijnen de overtallige bogen en bij hele kleine druppels wordt de hoofdregenboog zelf ook fletser. Bij mist zijn de regendruppeltjes zelfs zo klein dat de boog helemaal wit is geworden. Deze boog heet de mistboog en is soms te zien bij mist of nevel als de zon er nog doorheen kan schijnen. Hij is twee keer zo breed als de regenboog en heeft vaak een oranje buiten- en een blauwe binnenrand. (zie figuur 4)
Een heel bijzonder verschijnsel is te zien als je het geluk hebt een regenboog net voor zonsondergang te zien. Als de zon namelijk gaat verkleuren van geel naar rood, gaan er kleuren verdwijnen uit de regenboog. Eerst zie je nog alle kleuren. Op een gegeven moment verdwijnen violet, blauw en groen. Aan het eind blijft alleen rood over en dan heb je de zogenaamde rode regenboog. Als de zon helemaal achter de horizon is ver-dwenen, verdwijnt deze boog ook.

Je kunt ook zelf makkelijk een regenboog maken. Het enige wat je nodig hebt is een plantenspuit en zonnig weer. De plantenspuit moet echter wel het water als een soort nevel kunnen verspreiden. Je gaat dan in de tuin staan met je rug naar de zon. Als je dan vooruit spuit kun je de regenboog zien ontstaan!

Figuur 4: Bij laaghangende mist of nevel kan zich een mistboog vormen als de zon schijnt.

Ook de maan kan een regenboog veroor-zaken. Als het ‘s nachts regent en de (bijna) volle maan staat aan de hemel, dan kan de maanregenboog zichtbaar worden. Deze is natuurlijk wel veel zwakker dan de regenboog van overdag en ook de kleuren zijn minder goed zichtbaar. Als je er een foto van kunt nemen dan moet je dat zeker eens proberen, want op een foto wordt hij vaak duidelijker.

Kringen om de zon en maan

Een ander mooi verschijnsel is een kring om de zon of de maan. Bij de maan moet je deze kring niet verwarren met een krans om de maan. Dit is namelijk een heel ander verschijnsel, waar in dit artikel niet op in wordt gegaan. Deze krans zit dichtbij de maan en is een stuk kleiner. De kring echter is een vrij grote dunne ring die verder van de maan af staat.

Deze kring, die soms ook rond de zon te zien is, staat bekend als een halo, maar heet eigenlijk de kleine kring. Soms is hij volledig rond en een andere keer zie je maar een gedeelte ervan.

De kleine kring staat ongeveer 22 graden van de zon of maan af. Dit kun je eenvoudig zelf meten. Als je namelijk je arm voor je uit strekt en je duim en pink zover mogelijk uit elkaar zet, dan bedraagt de afstand daar-tussen ongeveer 22 graden. Als je je pink op de zon kunt leggen en je duim op de ring (of andersom) dan is het de kleine kring die je ziet. Er is namelijk ook een zeldzamere grotere kring waar ik het straks nog over ga hebben.

De kleine kring wordt vaak gezien als een voorbode voor slecht weer. Luister maar eens naar het gezegde “Kring om de maan kondigt regen aan” of “Kring om de zon, regen in de ton!”. Hier zit zeker een kern van waarheid in. Haloverschijnselen ontstaan namelijk meestal in cirrostratus wolken. Je kent vast wel cirrus-wolken. Dit zijn hele ijle wolken die lijken op veren en ze zijn meestal gestreept.

Cirrostratus lijkt er op maar heeft meestal minder strepen en is iets dikker, maar de zon of maan schijnt er echter nog makkelijk doorheen. Deze wolken gaan vaak samen met een depressie die dichtbij ons land komt en dus regen kan gaan brengen. Dikwijls wordt de bewolking nadat je de halo gezien hebt, meestal langzaamaan dikker en gaat het na een tijdje regenen. Soms kan het nog een dag duren, maar een andere keer is het binnen een paar uur gebeurd. En soms blijft de regen zelfs uit. Het weer is en blijft onvoorspelbaar wat dat betreft. De kleine kring is gemiddeld op honderd dagen per jaar te zien, maar meestal wordt hij niet opgemerkt omdat men aan het werk is of omdat de zon te fel is om er tegenin te kijken.

De kleine kring wordt veroorzaakt door kleine ijskristalletjes. Deze ijskristalletjes zijn zes-hoekig. Als een lichtstraal het kristal binnenkomt wordt hij afgebogen. Binnen het kristal gaat het rechtdoor en zodra hij het kristal verlaat wordt hij nog een keer afgebogen. Via twee zijkanten buigt het hele kristal een lichtstraal af over een hoek van ongeveer 22 graden (zie figuur 5). In de wolk stikt het van deze kristalletjes en deze staan allemaal in willekeurige richting. Alleen de kristalletjes waarbij we tegen de zijkant kijken en die 22 graden van de zon af staan, buigen het zonlicht af richting ons oog. Al deze kristalletjes samen veroorzaken hierdoor een ring om de zon of maan.

Net als de regenboog, kan de kleine kring ook kleuren vertonen. Soms is de kring egaal wit, maar soms zie je dat hij een blauwe buitenkant heeft en een rode binnenkant. Heel af en toe heeft de ring meer kleuren en lijkt het op een kleine regenboog.

Figuur 5: De kleine kring wordt veroorzaakt door ijskristallen die een vorm hebben van zeshoekige prisma’s.

Misschien is je wel eens opgevallen dat er in de buurt van de zon een rare lichte vlek aan de hemel staat. Het is een ronde vlek in
sluierwolken die soms heel fel kan zijn en soms vrij zwak. Soms lijkt hij net zo fel als de zon zelf! Het is dan ook niet gek dat dit verschijnsel een bijzon genoemd wordt.
Een bijzon komt ook alleen voor in cirrostratus bewolking en staat ook ongeveer 22 graden van de zon af. Als hij lager aan de hemel te vinden is, is de afstand wat groter. Opmerkelijk is dat hij op dezelfde hoogte als de zon aan de hemel staat. Hij kan zowel links als rechts van de zon staan en soms ook aan allebei de kanten tegelijk. Ook kunnen ze te zien zijn als de kleine kring zichtbaar is. Ze liggen dan ongeveer op deze cirkel of net iets er buiten.
Meestal zijn de bijzonnen gekleurd. De zijde die naar de zon is gericht, is een beetje rood van kleur. Aan de andere kant loopt de bijzon een beetje uit en vormt meestal een blauwwit staartje; De bijzon is dan net een klein komeetje, waarbij de staart ook van de zon af wijst. Deze staart kan af en toe heel lang worden. Er ontstaat dat een soort band die soms ook van de bijzon naar de zon doorloopt. Dit verschijnsel wordt de parhelische ring of bijzonnenring genoemd (zie figuur 6).

Figuur 6: Schema van de meest voorkomende haloverschijnselen (links). Vergelijk deze eens met de foto, gemaakt vanaf de zuidpool (rechts).

Een bijzon ontstaat ook door ijskristallen. Je hebt daarnet gelezen dat bij de kleine kring de ijskristallen in alle standen voorkomen. Ze zijn dus niet geordend. Daardoor is de kleine kring rond heel de zon te zien. Bij een bijzon is echter iets heel anders aan de hand. De ijskristallen zijn hier juist wel geordend. Deze kristallen zijn een soort zeshoekige plaatjes. Ze hebben in principe dezelfde vorm als de kristallen van de kleine kring, maar ze zijn veel platter. Omdat ze plat zijn gaan ze in de lucht langzaam naar beneden dwarrelen, net als blaadjes van een boom. Tijdens dat dwarrelen is het plaatje meestal horizontaal gericht. Op deze manier kunnen alleen de kristallen die vanuit ons gezien op gelijke hoogte staan als de zon, het zonlicht direct weerkaatsen. Plaatjes die hoger of lager aan de hemel staan, kunnen dit niet. Daarvoor zouden ze gekanteld moeten worden en dat doen ze juist niet. Bijzonnen staan daarom ongeveer op gelijke hoogte als de zon op 22 graden afstand daarvan. Deze afstand van een bijzon tot de zon kun je weer controleren door je arm te strekken en je duim en je pink zo ver mogelijk uit elkaar te zetten. Als de duim over de zon valt dan staat je pink in de buurt van de bijzon.

De grote kring

De grote kring is twee keer zo groot en staat dus op 46 graden van de zon. Hij is wel zwakker en vrij zeldzaam. Ook kan de grote kring kleuren vertonen net als de kleine kring. De grote kring wordt veroorzaakt door dezelfde zeskantige prisma’s als de kleine kring. De lichtstralen worden bij de grote kring echter niet alleen via de zijkanten afgebogen, maar via een zijkant en de bovenkant of onderkant. De kristallen staan in de wolk weer allemaal in willekeurige richtingen en diegene die precies goed gericht staan, buigen het zonlicht af in onze richting en veroorzaken de grote kring.

Circumzenitale boog

Nu rijst misschien de vraag: komen er op de grote kring ook bijzonnen voor? Het antwoord hierop is: nee. Om bijzonnen in de grote kring te veroorzaken zouden alle zeshoekige kristallen horizontaal gericht moeten worden. Alleen dan zouden de kristallen precies boven de zon en recht eronder het zonlicht naar ons afbuigen. Nu zijn er helaas geen kristallen die dit doen en dus komen bijzonnen in de grote kring niet voor.
Er is echter wel een ander verschijnsel dat alleen bij de grote kring voorkomt. Dit ontstaat namelijk ook als er zeshoekige plaatjes in de wolk aanwezig zijn. Deze kristallen kunnen namelijk ook het zonlicht via een zijkant en de boven- of onderkant afbuigen net als de gewone zeshoekige kristallen. Het verschil is alleen dat deze plaatjes zich horizontaal gaan richten doordat ze dwarrelen. Als dat gebeurt, zie je alleen recht boven de zon het afgebogen zonlicht op een afstand van weer 46 graden. Je kijkt op dat punt als het ware tegen de onderkant van de plaatjes aan. Op die plek ontstaat in dit geval geen bijzon, maar een soort boog, de circumzenitale boog. Dit is eigenlijk wel het mooiste haloverschijnsel dat er bestaat. Het is een klein regenboogje, maar dan op z’n kop. Meestal zie je maar een klein stukje van de boog. De circumzenitale boog wordt praktisch nooit groter dan een kwart cirkel. Hij komt niet vaak voor, maar wordt gemiddeld toch drie keer zo vaak gezien als de grote kring zelf.

Raakbogen

Soms worden er aan de kleine kring extra bogen waargenomen die op sommige plaatsen de ring raken, de zogenaamde raakbogen. Zo’n boogje raakt de kring of precies boven de zon of er precies onder. Heel af en toe loopt de boog helemaal rond en ontstaat er een soort ellips om de kleine kring heen die hem op twee plaatsen raakt, onder en boven de zon. De meest voorkomende vorm van een raakboog is echter een kort boogje die de kring aan de bovenkant raakt. Dit heet de bovenraakboog. De bovenraakboog heeft meer een V-vorm als de zon laag aan de horizon staat.
Ook bij grote kring kunnen raakbogen voorkomen, maar deze zijn veel en veel zeldzamer. Toch zijn er veel mensen die zeggen dat ze de bovenraakboog gezien hebben aan de grote kring. Meestal gaat het dan om de circumzenitale boog, want die staat immers op dezelfde plek en is veel vaker te zien.

Lichtzuilen

Dit verschijnsel is soms bij zonsopkomst of zonsondergang te zien. Boven de zon zie je dan een vage band van licht die vanaf de zon recht omhoog wijst. Soms zie je een aantal lichte plekken die allemaal op de verticale lijn liggen. Heel af en toe is de zuil ook onder de zon te zien, maar deze is meestal korter. Soms is de lichtzuil geel, maar net als de ondergaande zon zelf, kan deze ook oranje of rood gekleurd zijn.
Als toevallig ook de bijzonnenring te zien is, ontstaat iets heel bijzonders. Dan zie je een soort kruis laag aan de hemel! Dit heet dan ook een lichtkruis. Er kunnen zelfs nog twee kruisen ontstaan. Als namelijk de kleine kring of een deel daarvan ook nog te zien is, dan kruist deze de bijzonnenring en krijg je voor elke bijzon een nieuw kruis met de bijzon als middelpunt. Op 14 juli 1865 werd door een zekere Whymper en een aantal andere alpinisten voor het eerst de Matterhorn in Zwitserland beklommen. Bij de terugtocht naar beneden stortten vier leden van de groep per ongeluk in een afgrond. Die zelfde avond keek Whymper naar de hemel en verschenen er drie kruisen aan de hemel. Je zult niet verbaasd zijn dat dit het nodige bijgeloof opriep bij de arme man.

Waarnemen

Halo’s en regenbogen komen in Nederland gedurende het hele jaar voor. Regenbogen zie je het meest als er buien overtrekken die worden gevolgd door opklaringen. Halo-verschijnselen zie je in sommige periodes veel, in andere weer minder. Bij het naderen van depressies en fronten maak je de beste kans. Dan verschijnt er eerst cirrostratusbewolking waarin je haloverschijnselen kunt waarnemen. Ook de bovenkant van een cumulonimbus, de zogenaamde aambeeldwolk, bestaat uit cirrostratus. Daarin kun je ze dus ook wel eens tegenkomen. Halo’s zijn vaak beter waar te nemen door een zonnebril omdat het licht van de zon erg fel is.
Leuk is het om halo’s te tekenen of te fotograferen. Om foto’s te maken heb je geen speciaal toestel nodig. Wel is het beter om met een spiegelreflexcamera te werken omdat je daarmee vaak de mooiste resultaten krijgt. Meestal moet je namelijk bij halo-verschijnselen één of twee stops onderbelichten om de kleur er beter uit te laten komen.

Tot slot heb ik nog een leuke internetsite voor je waarop je veel informatie kunt vinden over halo’s en andere verschijnselen. Je kunt er zelfs een simulatie-programma downloaden waarmee je je eigen halo’s kunt laten tekenen. Je geeft daarbij de hoogte van de zon op en het soort ijskristallen en hij tekent de hemel voor je zoals hij eruit zou kunnen zien. Bovendien kun je nog veel meer waarden veranderen waardoor er weer heel andere verschijnselen te zien zijn. Het is echt een heel mooi programma. De site is te vinden op:

http://dspace.dial.pipex.com/lc/halo/halosim.htm

Als je tekeningen, foto’s of beschrijvingen gemaakt hebt. Schroom niet en stuur ze op! Misschien laten we ze zelfs zien aan andere lezers van Universum!

Lichtzuil bij de ondergaande zon.

Halo’s op Mars

Ook op Mars komen waarschijnlijk haloverschijnselen voor. In de atmos-feer van Mars komt waarschijnlijk een beetje water die zullen zorgen voor aardse halo’s. Maar omdat het zo koud is op Mars kunnen er ook kristallen gevormd worden van kooldioxide. Op grote hoogte in de Mars-atmosfeer bevriest kooldioxide namelijk bij 123 graden Celsius onder nul. Op die hoogte is het vaak een stuk kouder en daar kunnen deze kristallen zich dan ook makkelijk vormen. Kooldioxide-kristallen hebben echter een heel andere vorm dan waterkristallen. Op Mars kunnen we dan ook rekenen op extra halo-
verschijnselen!
Met behulp van een model heeft men geprobeerd te voorspellen hoe halo’s op Mars er uit zien. Er zijn waarschijnlijk een aantal extra kringen om de zon te zien, de helderste zijn te vinden op een afstand van 26 en 39 graden. In plaats van twee bijzonnen zijn er op Mars vier bijzonnen mogelijk op de kring van 26 graden. Deze hebben niet de komeet-vorm van de aardse bijzonnen, maar meer een V-vorm.

Een simulatie van halo’s die op Mars te zien zijn.