Wie entstehen Halos?

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, sodass das überschüssige Wasser zu Wolken kondensiert. Auf diese Weise gelangt Wasser in eine Höhe von 8-10km. Dort beträgt die Temperatur nur etwa -15 bis -20°C, sodass 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 Kondensstreifen 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:

• 22°-Ring (zufällig)
• Nebensonnen (horizontale Basis)
• Berührungsbögen bzw. umschriebener Halo (senkrechte Basis)
• Parrybogen (senkrechte Basis und zwei horizontale Prismenflächen)

Die Orientierung spielt also eine entscheidende 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, 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.