31.07.2022

The origins of some atmospheric optical illusions remain unknown, even after millennia of observation.

An image of an atmospheric halo known as a 22⁰ halo captured in Germany. (Image credit: Patrick Looß )

For the first time in almost 5,000 years of observations, researchers have fully cataloged optical illusions created in the sky as light shines through ice crystals known as atmospheric halos. 

The atmospheric halo 'inventory' details frequently seen atmospheric optical illusions from known sources as well as shedding light on rarer halos, including ones with origins that are currently a mystery. 

Halos are caused by the accumulation of water ice crystals smaller than 10 micrometers in the atmosphere. Qualities of these atmospheric illusions such as their colors or whether they possess arcs, spots or white rings, are determined by the shape and orientation of the ice scatter from and the path light takes towards these crystals. Often, the type of crystal behind the scattering can be identified by the shape of the halo they create. 

These atmospheric illusions have been documented by humanity since at least the Babylonian era  —  which began around 1895 B.C.  —  when the phenomena were detailed on cuneiform tablets. However, thanks to the availability of cameras as a result of the proliferation of mobile phones, scientists have never had so much data on these phenomena at the tips of their fingers.

In addition to an intensive catalog of halos, this new research  —  which is founded on observations collected up until the end of 2021  —  highlights gaps in the study of the phenomena. The authors behind the inventory also lay out promising methods for both their further observation and the processing of collected data, urging the public to get involved in recording these phenomena using their phones and digital photography.

The complete catalog divides the phenomenon into 119 different types and also details the conditions such as temperature and humidity required to create them. 

A photo of a halo of diamond dust taken on December 12, 2010 in Tampere, Finland. (Image credit: Marko Riikonen)

Halos seen at least once a year were defined as 'commonly observed' and are usually formed by the scattering, refraction and focusing of light from the sun or reflected off of the moon by hexagonal ice crystals in a disordered, horizontal, or vertical orientation. 

Another category  —  'rare halos'  —  which includes atmospheric illusions accounting for only around one percent of all observations, is further divided into halos with known origins and those with unknown and exotic sources.

"As a rule, halos are formed as a result of the interaction of light with hexagonal crystals of water ice," Finnish Geospatial Research Institute scientist and Ph.D. student at the University of Helsinki, Jarmo Moilanen, said in a statement(opens in new tab). "However, some of the documented exotic halos cannot be explained in this way."

Moilanen, who developed the inventory of atmospheric halos with University of Helsinki professor, Maria Gritsevich, named some examples of such exotic halos. "The mysteries of the origin of elliptical halos and Bottlinger rings(opens in new tab) have not been solved since their discovery at the beginning of the 20th century," the researcher said. "Among the mysterious ones is the so-called Moilanen arc(opens in new tab), which I first discovered in 1995."

The researchers suggest that the key to the production of mysterious atmospheric halos could be ice crystals with anomalous shapes or crystals of other minerals scattered in the air. 

Gritsevich said that research suggests that the unusual shape of exotic halos is due to human-caused factors, such as atmospheric emissions or the strong electromagnetic fields generated by high-voltage power lines. She added these factors can disrupt the orientation of ice crystals in the air possibly giving rise to exotic halos. 

"To unravel such mysteries, samples of ice crystals forming exotic halos, were specially collected in the atmosphere, but this experience also gave more questions than answers," Gritsevich said in the statement, adding that the atmospheric halos spotted around other planets could be of use in unraveling this mystery.

This includes halos observed and documented in the atmosphere of Mars, which could also be used to better understand the thin diffuse atmosphere of the Red Planet.

"This observation proves that clouds of hexagonal crystals of water ice or other minerals exist in the atmosphere of Mars," says Maria Gritsevich. "There are suggestions that the halos could be formed by carbon dioxide crystals."

She added that mathematical modeling of the factors that can lead to the formation of a halo could provide valuable information about the state of the Martian atmosphere.

Quelle: SC

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Die Geheimnisse einiger atmosphärischer Halos bleiben nach 5.000 Jahren ungeklärt
Von Robert Lea veröffentlicht vor etwa 24 Stunden

Die Ursprünge einiger atmosphärischer optischer Täuschungen bleiben unbekannt, selbst nach Jahrtausenden der Beobachtung.

Ein in Deutschland aufgenommenes Bild eines atmosphärischen Halo, bekannt als 22⁰-Halo. (Bildnachweis: Patrick Looß)
Zum ersten Mal in fast 5.000 Jahren Beobachtungen haben Forscher optische Täuschungen vollständig katalogisiert, die am Himmel entstehen, wenn Licht durch Eiskristalle scheint, die als atmosphärische Halos bekannt sind.
Das atmosphärische Halo-Inventar zeigt häufig gesehene atmosphärische optische Täuschungen aus bekannten Quellen und wirft Licht auf seltenere Halos, einschließlich solcher, deren Ursprünge derzeit ein Rätsel sind.
Halos entstehen durch die Ansammlung von Wassereiskristallen kleiner als 10 Mikrometer in der Atmosphäre. Eigenschaften dieser atmosphärischen Illusionen, wie ihre Farben oder ob sie Bögen, Flecken oder weiße Ringe besitzen, werden durch die Form und Ausrichtung der Eisstreuung und den Weg des Lichts zu diesen Kristallen bestimmt. Oft kann die Art des Kristalls hinter der Streuung anhand der Form des von ihnen erzeugten Lichthofs identifiziert werden.
Diese atmosphärischen Illusionen wurden von der Menschheit mindestens seit der babylonischen Ära dokumentiert  –  die um 1895 v. Chr. begann. —  als die Phänomene auf Keilschrifttafeln detailliert dargestellt wurden. Dank der Verfügbarkeit von Kameras infolge der Verbreitung von Mobiltelefonen hatten Wissenschaftler jedoch noch nie so viele Daten zu diesen Phänomenen zur Hand.
Neben einem intensiven Halos-Katalog zeigt diese neue Forschung  —  die auf Beobachtungen basiert, die bis Ende 2021 gesammelt wurden  —  Lücken in der Erforschung der Phänomene auf. Die Autoren hinter der Bestandsaufnahme legen auch vielversprechende Methoden sowohl für ihre weitere Beobachtung als auch für die Verarbeitung der gesammelten Daten dar und fordern die Öffentlichkeit auf, sich an der Aufzeichnung dieser Phänomene mit ihren Telefonen und digitalen Fotografien zu beteiligen.
Der vollständige Katalog unterteilt das Phänomen in 119 verschiedene Typen und beschreibt auch die Bedingungen wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit, die zu ihrer Entstehung erforderlich sind.

Ein Foto eines Heiligenscheins aus Diamantstaub, aufgenommen am 12. Dezember 2010 in Tampere, Finnland. (Bildnachweis: Marko Riikonen)
Mindestens einmal im Jahr gesehene Lichthöfe wurden als „häufig beobachtet“ definiert und entstehen normalerweise durch Streuung, Brechung und Fokussierung von Licht von der Sonne oder vom Mond durch hexagonale Eiskristalle in einer ungeordneten, horizontalen oder vertikalen Ausrichtung reflektiert.
Eine andere Kategorie  —  „seltene Halos“  —  , die atmosphärische Illusionen umfasst, die nur etwa ein Prozent aller Beobachtungen ausmachen, wird weiter unterteilt in Halos mit bekanntem Ursprung und solche mit unbekannten und exotischen Quellen.
„In der Regel entstehen Halos durch die Wechselwirkung von Licht mit sechseckigen Wassereiskristallen“, sagt der Wissenschaftler und Ph.D. Student an der Universität Helsinki, Jarmo Moilanen, sagte in einer Erklärung (opens in new tab). „Allerdings lassen sich einige der dokumentierten exotischen Lichthöfe nicht auf diese Weise erklären.“
Moilanen, der mit Maria Gritsevich, Professorin an der Universität Helsinki, das Inventar atmosphärischer Halos entwickelt hat, nannte einige Beispiele für solche exotischen Halos. „Die Geheimnisse des Ursprungs von elliptischen Halos und Bottlinger-Ringen (opens in new tab) sind seit ihrer Entdeckung zu Beginn des 20. Jahrhunderts nicht gelöst worden“, sagte der Forscher. "Zu den mysteriösen gehört der sogenannte Moilanen-Bogen(opens in new tab), den ich erstmals 1995 entdeckt habe."
Die Forscher vermuten, dass Eiskristalle mit anomalen Formen oder Kristalle anderer Mineralien, die in der Luft verstreut sind, der Schlüssel zur Entstehung mysteriöser atmosphärischer Halos sein könnten.
Gritsevich sagte, dass die Forschung darauf hindeutet, dass die ungewöhnliche Form exotischer Halos auf vom Menschen verursachte Faktoren wie atmosphärische Emissionen oder die starken elektromagnetischen Felder zurückzuführen ist, die von Hochspannungsleitungen erzeugt werden. Sie fügte hinzu, dass diese Faktoren die Ausrichtung von Eiskristallen in der Luft stören können, was möglicherweise zu exotischen Lichthöfen führt.
„Um solche Geheimnisse zu lüften, wurden Proben von Eiskristallen, die exotische Halos bilden, speziell in der Atmosphäre gesammelt, aber diese Erfahrung gab auch mehr Fragen als Antworten“, sagte Gritsevich in der Erklärung und fügte hinzu, dass die atmosphärischen Halos, die um andere Planeten herum entdeckt wurden, von sein könnten verwenden, um dieses Geheimnis zu lüften.
Dazu gehören Halos, die in der Atmosphäre des Mars beobachtet und dokumentiert wurden und die auch zum besseren Verständnis der dünnen, diffusen Atmosphäre des Roten Planeten verwendet werden könnten.
„Diese Beobachtung beweist, dass in der Atmosphäre des Mars Wolken aus sechseckigen Kristallen aus Wassereis oder anderen Mineralien existieren“, sagt Maria Gritsevich. "Es gibt Hinweise darauf, dass die Lichthöfe durch Kohlendioxidkristalle gebildet werden könnten."
Sie fügte hinzu, dass die mathematische Modellierung der Faktoren, die zur Bildung eines Halo führen können, wertvolle Informationen über den Zustand der Marsatmosphäre liefern könnte.
Quelle: SC