Haloerscheinungen

von Claudia & Wolfgang Hinz

"Alles, was Sie tun müssen, ist, Ihre Augen mit dem Zauberstab zu berühren, der da heißt: Wissen, worauf ich achten muß!" (Marcel Minnaert)

Haloerscheinungen sind Lichtbögen und Lichtflecken am Himmel, die durch Brechung und Spiegelung des Lichts an Eiskristallen hervorgerufen werden. Eiskristalle, die zur Halobildung Anlaß geben, finden sich vor allem in hohen Wolken der Gattung Cirrus und Cirrostratus. Daneben können Halos in fallenden Schneekristallen, im Eisnebel, auf Schneedecken und auf mit Reif überzogenen Flächen beobachtet werden. Im Gegensatz zum Regenbogen sind diese atmosphärischen Erscheinungen kaum jemandem bekannt. Dabei gibt es einige Haloarten, die in ihrer Farbigkeit und Helligkeit dem Regenbogen gleichkommen können. Außerdem sind Halos gar nicht so selten. Durchschnittlich kann man an 6-7 Tagen im Monat Haloerscheinungen beobachten. Die folgenden Seiten sollen Ihnen die Vielfalt der Haloarten nä-herbringen und zur eigenen Beobachtung dieser faszinierenden Himmelsschauspiele anregen.

Eiskristalle in der Atmosphäre

Die abgebildeten Eiskristalle sind für die meisten Haloerscheinungen verantwortlich

Wenn feuchte Warmluft auf Kaltluft trifft, steigt die Warmluft in die Höhe und gleitet über die Kaltluft hinweg. Dabei kühlt sich die feuchte Luft ab. Kalte Luft kann aber nicht so viel Wasserdampf aufnehmen wie Warmluft, so daß das überschüssige Wasser zu Wolken kondensiert. Auf diese Weise gelangt Wasser in eine Höhe von 8-10 km. Dort beträgt die Temperatur nur etwa -15 bis -20°C, so daß ein Großteil der Wassertröpfchen zu Eiskristallen gefriert.

Allerdings kristallisiert das Wasser nicht automatisch. Vielmehr sind Sublimationskerne (winzige Staubteilchen) erforderlich, die den Wasserdampf zur Kondensation bewegen und schlagartig das Wasser gefrieren lassen. Die für Haloerscheinungen verantwortlichen Kristalle bilden sich erst bei Temperaturen von unter -10°C.

Das Kondensieren von Wasser und das unmittelbar darauf einsetzende Gefrieren kann man sehr gut an den Kondensstreifen von Flugzeugen beobachten. Was man sieht, sind nicht die Abgase des Flugzeuges selbst, sondern Eiskristalle bzw. Wassertröpfchen, die sich schlagartig an den Rußpartikeln der Abgase bilden. Die Kondensstreifen sind auch ein sehr guter Indikator für die Luftfeuchtigkeit in großer Höhe. Wenn die Kondenstreifen kurz sind und sich schnell auflösen ist die Luft recht trocken. Wenn dagegen breite und beständige Kondensstreifen zu sehen sind, ist die Luft mit Wasserdampf übersättigt. Auch wenn außer den Kondensstreifen keine Wolken zu sehen sind, ist es sehr wahrscheinlich, daß sich in den nächsten Stunden hohe Wolken bilden, die vorwiegend aus Eiskristallen bestehen.

Eiskristalle sind hexagonal. Sie haben normalerweise 6 Prismenflächen und 2 Basisflächen. Solche Kristalle können das Licht wie in einem 60° Prisma brechen. Dann tritt der Lichtstrahl in eine Prismenfläche ein und an der übernächsten wieder aus. Das Licht kann wegen der Totalreflexion nicht die anliegende Prismenfläche verlassen. Daneben tritt auch Lichtbrechung mit einem Brechungswinkel von 90° auf. Dabei tritt das Licht in eine Basisfläche ein und an einer Prismenfläche wieder aus. Allein diese beiden Lichtwege können eine Vielzahl von Haloarten hervorrufen. Die verschiedenen Haloarten ergeben sich daraus, daß die Kristalle unterschiedliche Orientierungen im Raum einnehmen können. Jede Art der Ausrichtung erzeugt ihre eigenen Halos, obwohl der Lichtweg im Kristall gleich bleibt. Bei den folgenden Halos ist der Lichtweg identisch:

  • Halo (zuffällig)
  • Nebensonnen (horizontale Basis)
  • Berührungsbögen bzw. umschriebener Halo (senkrechte Basis)
  • Parrybogen (senkrechte Basis und zwei horizontale Prismenflächen).

Die Orientierung spielt also eine entscheidene Rolle. Aber was bewegt die Kristalle dazu bestimmte Lagen im Raum einzunehmen? Sehr kleine Kristalle (ca. 20 Mikrometer), die etwa ebenso lang wie breit sind, nehmen alle möglichen Lagen im Raum an. Bei größeren Kristallen (50-500 Mikrometer) wirkt sich jedoch der Luftwiderstand auf die Orientierung aus. Dabei nehmen die Kristalle automatisch die Lage des größten Luftwiderstandes ein. Wenn die Kristalle säulenförmig sind (a) dann orientiert sich die Hauptachse horizontal. Die Hauptachse geht durch die Mitte der beiden Basisflächen. Wenn die Kristalle dagegen plättchenförmig sind, orientieren sie sich so, daß die Basisfläche horizontal liegt. Eine solche Ausrichtung setzt allerdings eine relativ ruhige Atmosphäre voraus. Andernfalls können auch Plättchen und Säulchen zufällig orientiert sein.

Wann ist mit Halos zu rechnen?

Halos entstehen durch Brechung und Spiegelung des Lichts an Eiskristallen. Die hohen Wolken, die vorwiegend aus Eiskristallen bestehen, teilt man in drei verschiedene Arten ein. Es sind Cirrus, Cirrostratus und Cirrocumulus. Wenn man solche Wolken am Himmel sieht, ist auch immer mit Haloerscheinungen zu rechnen.

Cirrus
Diese Wolken haben ein faseriges Aussehen. Oft sind sie unregelmäßig über den Himmel verteilt.

Cirrostratus
Der Cirrostratus ist ein durchscheinender weißer Wolkenschleier. Oft ist er einförmig und überzieht größere Bereiche des Himmels.

Cirrocumulus
Dies sind meist regelmäßig in Reihen angeordnete kleine weiße Wolkenbällchen oder Wolkenfle-cken. Von Altocumulus unterscheiden sie sich durch ihren geringeren scheinbaren Durchmesser. Ha-los treten bei ihnen nicht ganz so häufig auf.

Diese drei Wolkenarten sind für die meisten Haloerscheinungen verantwortlich. Daneben gibt es aber noch andere Situationen, in denen Halos beobachtet werden können.

Altocumulus
Der Altocumulus gehört zu den mittelhohen Wolken. Er besteht nur zu einem geringen Teil aus Eiskristallen. Bisher wurden vorwiegend Lichtsäulen an Altocumulus-Wolken beobachtet.

Cumulonimbus
Dies sind sehr hochreichende Quellwolken. Der obere amboßartige Teil besteht aus Eiskristallen. In dem sind manchmal Halos zu sehen.

Fallstreifen (Virga)
Fallstreifen, können sehr schöne Halos erzeugen. Sie treten auch bei anderen Wolkenarten, wie z.B. Stratocumulus, auf. Bei gut ausgeprägten Fallstreifen sieht es so aus, als ob die Wolken Bärte hätten. Manchmal sind die Fallstreifen aber so fein, daß man sie nicht sehen kann. Elliptische Ringe wurden bisher ausschließlich an Fallstreifen beobachtet.

Eisnebel
Bei tiefen Temperaturen im Winter kann es zu Eisnebel kommen. Eisnebel erzeugt mit Abstand die schönsten Halo-Displays.

Schneedecke
Auch auf Schneedecken kann man manchmal bei tiefstehender Sonne Halos, überwiegend Ringsegmente des 22°- und 46°-Ringes entdecken.

Halos bei kaltem Wetter

Im Winter treten häufig Halos auf, die nicht in den Eiskristallen von Cirruswolken entstehen. Die schönsten, hellsten und farbigsten Haloerscheinungen entstehen z.B. in Eisnebel. Bei winterlichen Hochdruckwetterlagen sinkt häufig die schwere kalte Luft zu Boden und bildet eine Nebel- oder Hochnebeldecke. Die Gipfel der Berge ragen dagegen oft aus dem Nebelmeer heraus. Wenn die Temperaturen im Nebelbereich noch unter dem Gefrierpunkt liegen und die Feuchte-übersättigte Luft kristallieren kann, hat ein Beobachter oberhalb des Nebels die besten Voraussetzungen für eine phantastische Halobeobachtung.

Im Flachland ist eine Beobachtung von Eisnebelhalos schon schwieriger, da bei Nebel gewöhnlich die Sonne als Lichtobjekt fehlt. Allerdings sind an künstlichen Lichtquellen wie z.B. Straßenlampen Lichtsäulen möglich. Andere Haloarten wurden um künstliche Lichtquellen bisher nicht beobachtet.

Im Flachland können unter bestimmten Bedingungen Halos in Polarschnee (auch Eisnadeln, diamond dust oder Diamantenstaub) entstehen. Das sind kleinste Eiskristalle, die bei oft wolkenlosem Himmel entstehen, wenn Luftfeuchte kristalliert. Durch ihr geringes Eigengewicht schweben die Eiskristalle oft in der Luft oder fallen nur langsam zu Boden. Voraussetzungen für die Entstehung sind auch hier eine sehr hohe Luftfeuchte und Temperaturen unter dem Gefrierpunkt. Je tiefer die Temperaturen, desto geringer muß die relative Luftfeuchte sein, um eine Feuchtesättigung der Luft zu erreichen und Eiskristallchen zu bilden. Begünstigt sind Flußtäler oder wassernahe Beobachtungsorte, aber auch die Nähe von Industriewerken, die durch Schornsteine Wasserdampf abgeben. Ansonsten sind Beobachtungen vor allem in den Morgenstunden, kurz nach Sonnenaufgang möglich, wenn die Temperaturen am tiefsten und die relative Luftfeuchte allgemein am höchsten ist. Am häufigsten sind Nebensonnen zu beobachten. Das liegt vor allem daran, daß sich bei Sonnenaufgang die Nebensonnen in Augenhöhe des Beobachters befinden wo die Dichte des "Diamantenstaubes" am größten ist.

Halos können aber nicht nur an den Eiskristallen im diamand dust auftreten, sondern auch:

  • in Schneekristallen, wobei in fallendem Schnee meist Lichtsäulen und auf einer Schneedecke der 22°-Ring und 46°-Ring auftreten kann
  • im morgendlichen Reif, in dem, wie auf der Schneedecke, der 22°-Ring und der 46°-Ring beobachtbar sind
  • in Rauhreif; dieser entsteht bei Temperaturen unter -8°C und Nebel. Nach Nebelauflösung lösen sich diese Eisplättchen durch leichten Wind oft von Bäumen und anderen Gegenständen und schweben in der Luft. Bisher wurden Lichtsäulen, Nebensonnen und der Zirkumzenitalbogen an schwebenden Rauhreifplättchen beobachtet.

Halofotografie

Die Fotografie von Haloerscheinungen ist sehr reizvoll. Zunächst dient sie der wissenschaftlichen Auswertung, daneben lassen sich aber auch sehr ansprechende Aufnahmen erzielen, die sich durchaus in einer Ausstellung sehen lassen können. Faszinierend ist vor allem, daß Halos aus nichts anderem bestehen, als aus Licht, also keine konkreten Gegenstände sind. Die Fotos von Haloerscheinungen sind Lichtbilder im wahrsten Sinne des Wortes.

Wer ernsthaft Halos fotografieren möchte, benötigt eine Spiegelreflexkamera. Diese bietet den großen Vorteil, daß man mit verschiedenen Brennweiten, insbesondere extremen Weitwinkelobjektiven, arbeiten kann. Übrigens muß es nicht unbedingt eine teure Kamera sein. Sehr empfehlenswert ist die "gute, alte" Praktica mit M42 Schraubgewinde. Für diese Systemkamera, die man gebraucht für etwa 150.- DM bekommt, gibt es sehr viele preisgünstige Objektive. Für Haloerscheinungen benötigt man mehrere Brennweiten. Zum Einstieg reicht ein 24mm und ein 50mm Objektiv. Wer aber komplexe Halophänomene aufnehmen will, benötigt auch ein Fisheye Objektiv oder zumindest ein extremes Weitwinkel mit einem Bildwinkel von 90°. Für die Praktica gibt es ein russisches 2.8/16mm Objektiv, das etwa 300.- DM kostet. Ein ähnliches Objektiv für eine Nikon Kamera kostet schon weit über 1000.- DM.

Bei extremen Weitwinkelobjektiven kommt es nicht nur auf die Brennweite an. Es gibt z.B. 16mm Objektive für das Kleinbild sowohl mit einem Bildwinkel von 180°, als auch mit einem Bildwinkel von etwa 100°. Wichtig ist also nicht die Brennweite, sondern der Bildwinkel. Ein echtes Fisheye hat einen Bildwinkel von 180°. Nur mit solchen Objektiven kann man komplexe Halophänomene aufnehmen, die sich über den ganzen Himmel erstrecken. Wer sich dafür nicht extra ein Objektiv anschaffen will, kann auch einen Fisheye-Vorsatz verwenden. Dieser wird einfach in das Filtergewinde eines Weitwinkelobjektives geschraubt. Bei Weitwinkelobjektiven ab 28mm Brennweite erhält man dann ein kreisförmiges Bild mit einem Bildwinkel von 180°. Solch einen Fisheye-Vorsatz gibt es beispielsweise von der Firma Hama, wo es etwa 140.- DM kostet.

Neben der Spiegelreflexkamera ist aber auch eine Kompaktkamera von großem Nutzen. Spektakuläre Halos treten ja oft sehr unerwartet auf. Daher ist es gut, immer eine Kamera in Griffweite zu haben.

Früher wurden die meisten Aufnahmen auf Negativfilm gemacht. Inzwischen haben sich aber Diafilme immer mehr durchgesetzt. Sie haben den großen Vorteil, daß man die Bilder sofort beurteilen kann. Bei Negativen weiß man nicht, wie das spätere Papierbild aussehen wird.

Oft ist auf dem Negativen das Halo klar erkennbar. Die Fotolabors sind aber wohl nur auf normale Urlaubsfotos eingestellt und neigen dazu, die Papierbilder falsch zu belichten. Dies gilt vor allem dann, wenn das Bild bewußt unterbelichtet wurde. Dann versuchen die Labore die Unterbelichtung wieder auszugleichen, wodurch die Abzüge unbrauchbar werden.

Bei Diafilm treten solche Probleme nicht auf. Diafilm läßt sich darüber hinaus viel besser archivieren. Es gibt aber den großen Nachteil, daß man von Dias keine qualitativ hochwertigen und zugleich preisgünstigen Abzüge erhalten kann. Anscheinend ist es den Labors nicht möglich, von einem Dia einen Abzug zu machen, der dem Original gleichkommt. Oft sind die Kontraste dann so stark, daß große Teile des Bildes nicht mehr zu erkennen sind. Um vernünftige Ergebnisse zu erhalten, kann man von dem Dia ein Negativ anfertigen. Mit diesem kommen die Labore dann wenigstens halbwegs klar. Daneben kann man das Dia in ein Fachlabor geben, wo es dann per Hand vergrößert wird. Dies ist allerdings sehr teuer. Relativ gute Erfahrungen konnten mit dem Agfa Digi-Print Verfahren gemacht werden. Dabei wird das Bild zunächst gescannt und dann auf das Papier belichtet.

Die verwendeten Diafilme sollten eine Empfindlichkeit von ISO 100 oder weniger haben. Filme mit ISO 50 sind wegen der höheren Auflösung und besseren Farbwiedergabe geeigneter, allerdings auch teurer.

Für Haloerscheinungen kann man den Wert, den der Belichtungsmesser anzeigt, nur als Anhaltspunkt verwenden. Am besten hat sich bewährt, die erste Aufnahme nach dem Wert des Belichtungsmessers zu machen. Falls dabei die Sonne im Bild ist, wird der Halo eher unterbelichtet sein und weitere Aufnahmen, bei der die Blende jeweils um eine Stufe weiter geöffnet wird, sind empfehlenswert. Falls die Son-ne nicht mit im Bild war, sollte man weitere Aufnahmen mit einer um ein bis zwei Stufen weiter geschlossenen Blende machen. Im Zweifel sollte man die Aufnahme eher unterbelichten oder eine größere Belichtungsreihe anfertigen.

Wenn die Sonne mit im Bild ist, kann es zu Reflexionen innerhalb es Objektivs kommen, die die Bildqualität beeinträchtigen. Zur Abhilfe stellt man sich so hin, daß die Sonne von einem Gegenstand (Baum, Hausgiebel) verdeckt wird. Allerdings wirken solche Aufnahmen auf die Dauer etwas langweilig. Außerdem fehlt dem Betrachter dann die Sonne als Anhaltspunkt. Daher sollte man vor allem bei tiefen Sonnenständen auch mal ein Bild machen, auf dem die Sonne zu sehen ist, oder aber in der Wahl der Gegenstände, die die Sonne verdecken, kreativ sein. Daneben ist es immer schöner, wenn noch ein Teil der Landschaft mit im Bild ist, da der Betrachter dann eine bessere Vorstellung von der Haloerscheinung bekommt.

Halo - ein Zeichen für schlechtes Wetter?

Es gibt einige Bauernregeln, die das Auftreten ener Haloerscheinung mit einer Wetterverschlechterung deuten:

"Gibt Halo sich um Sonn' und Mond,
bald Regen und Wind uns nicht verschont."

"Wenn der Mond hat einen Ring,
es folgt der Regen allerding."

Die Beobachtungen haben jedoch gezeigt, daß Haloerscheinungen keinen eindeutigen Beweis für eine Wetterverschlechterung liefern. Die Cirruswolken sind keine Regenwolken und ein vorübergehender Cirrenschleier ist auch während einer Schönwetterlage möglich. Eine rasche Verdichtung von Cirrostratus-Bewölkung ist allerdings ein Zeichen dafür, daß in der Troposphäre das Aufgleiten feuchterer Luftmassen eingesetzt hat. Dann ist dies ein erstes Anzeichen für den Übergang in Altostratus und nachfolgend für den Durchzug eines Regengebietes.

Literatur zu Haloerscheinungen

Es gibt einige gute Bücher, in denen Haloerscheinungen behandelt werden. Hier eine Übersicht geordnet nach Erscheinungsjahr:

  • Schlegel: Vom Regenbogen zum Polarlicht, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 1995
  • K. Lynch: Color and light in nature, Cambridge University Press (1995)
  • Tape: Atmospheric Halos. Am. Geophysc. Soc. Washington D.C. (1994)
  • Minnaert: Licht und Farbe in der Natur, Birkhäuser Verlag (1992)
  • Greenler: Rainbows, Halos and Glories, Cambrige University Press (1980)
  • Pertner, Exner: Meteorologische Optik, W. Braunmüller, Wien, 2. Auflage (1922)
  • Das Heft 3/46 der Zeitschrift "Praxis der Naturwissenschaften" behandelt optische Phänomene der Atmosphäre, darunter auch Haloerscheinungen.

Sektion Halobeobachtung des Arbeitskreises Meteore e.V.

Die Sektion Halobeobachtung gibt es seit 1978. Zu Beginn der 80er Jahre gab es nur 5 ständige Beobachter, inzwischen liegt die Anzahl bei 35. Darunter einige Beobachter, die auf langjährige Reihen zurückgreifen können (Herr Stemmler aus Oelsnitz/Erzgebirge seit 1953 und Herr Röttler aus Hagen seit 1964). Es wurde ein Schlüssel zur Beobachtung und Klassifizierung von Haloerscheinungen erarbeitet, um eine einheitliche Auswertung zu ermöglichen. Grundlage bilden die persönlichen Aufzeichnungen. Die Beobachter fassen monatlich ihre Aufzeichnungen mit Hilfe des Haloschlüssels zusammen und schicken sie dann zur Erfassung und Auswertung nach Chemnitz. In den letzten Jahren wurde ein spezielles Haloerfassungs- und Auswerteprogramm für den PC geschrieben. Bis jetzt sind alle Halobeobachtungen ab dem Jahre 1985 erfaßt (ca. 60.000 Beobachtungen von Haloerscheinungen). Es können damit umfangreiche Auswertungen nach unterschiedlichsten Gesichtspunkten erfolgen.

Hauptziele unserer Tätigkeit sind eine möglichst lückenlose Beobachtung der Halos (je nach Zeit und Möglichkeit der einzelnen Beobachter sehr unterschiedlich) und die Registrierung seltener Haloerscheinungen (meist in Halophänomenen auftretend), da ja bei einigen Erscheinungen die Entstehung entweder mehrere Möglichkeiten zuläßt oder noch nicht geklärt ist (z.B. Lowitzbogen, 90° Nebensonnen!). Die beste Grundlage für eine wissenschaftliche Auswertung sind natürlich Fotografien oder zumindest eine exakte Zeichnung.

Außer uns gibt es noch eine finnische und eine niederländische Halobeobachtergruppe, mit denen wir in Kontakt stehen und die neuesten Erkenntnisse über Haloerscheinungen und Beobachtungsergebnisse austauschen. Eine weitere Beobachtergruppe existiert unseres Wissens derzeit nicht. Um unser Beobachternetz effektiver zu gestalten, vor allem, um ein größeres Gebiet wie Mitteleuropa abzudecken, sind wir natürlich über jeden Interessenten auf dem Gebiet der Halobeobachtung sehr erfreut.

Kontakt:
Claudia & Wolfgang Hinz
Irkutsker Str. 225
D-09119 Chemnitz

zusammengestellt aus den Internetseiten des AKM:
www.meteoros.de

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