Entstehung

Foto: Peter Rosen

Eiskristalle in der Atmosphäre

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.

Plättchenkristalle

Plättchenkristalle (Foto: Reinhard Nitze)

Säulenkristalle

Säulenkristalle (Foto: Reinhard Nitze)

Moilanenkristall

Seltene Kristallform, erzeugt vermutlich den Moilanenbogen (Foto: Reinhard Nitze)

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:

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.

Kristallarten und deren Ausrichtung

Zufällig orientierte Säulenkristalle

Zufällig orientierte Kristalle

Wenn Eiskristalle ungestört fallen, nehmen sie automatisch eine bestimmte Orientierung an. Plättchen richten sich mit der Basis horizontal aus, Säulenkristalle mit der Hauptachse horizontal. Es kommt aber oft vor, dass Turbolenzen in der Atmosphäre eine Orientierung verhindern. Dann nehmen die Plättchen und Säulchen alle möglichen Lagen im Raum ein. Daneben gibt es Eiskristalle, die etwa gleich lang wie breit sind. Solche gleich dimensionierten Kristalle haben normalerweise auch bei ruhiger Atmosphäre keine bevorzugte Ausrichtung. Die willkürlich orientierten Kristalle erzeugen nur zwei Haloarten: Den 22°-Ring und den 46°-Ring.


Horizontal orientierte Plättchenkristalle

Horizontal orientierte Plättchenkristalle

Wenn plättchenförmige Eiskristalle ungestört fallen, orientieren sie sich mit der Basisfläche horizontal. Die Basisflächen sind in der Grafik die obere und untere Seite des Kristalls. Die 6 Seitenflächen werden Prismenflächen genannt. Die Lichtstrahlen können auf verschiedenen Wegen den Kristall durchlaufen. Wenn sie in eine Prismenfläche eindringen und an der übernächsten Prismenfläche austreten beträgt der Brechungswinkel 60°. Treten sie in eine Basisfläche ein und an einer Prismenfläche aus, beträgt der Brechungswinkel 90°. Daneben kann das Licht noch im Innern des Kristalls reflektiert werden, bevor es austritt. Die verschiedenen Lichtwege erzeugen unterschiedliche Haloerscheinungen. Die häufigsten Haloerscheinungen durch horizontale Plättchen sind die Nebensonnen und der Zirkumzenitalbogen.


Einfach orientierte Säulenkristalle

Einfach orientierte Kristall

Wenn säulenförmige Kristalle ungestört fallen, richten sie sich mit der Hauptachse horizontal aus. Die Hauptachse geht durch die Mitte der beiden Basisflächen. Um diese Achse herum können die Kristalle beliebige Positionen einnehmen. Solche Kristalle werden als einfach orientierte Säulenkristalle bezeichnet. Auch hier sind wieder Brechungswinkel von 60° und 90° möglich. Säulenkristalle erzeugen eine große Vielfalt von Haloerscheinungen. Die häufigsten sind die Berührungsbögen und der umschriebende Halo.


Doppelt orientierte Säulenkristalle

Doppelt orientierter Kristall

Säulenkristalle können auch doppelt orientiert sein. Doppelt orientiert bedeutet, dass nicht nur die Hauptachse horizontal ausgerichtet ist, sondern auch zwei Prismenflächen exakt horizontal orientiert sind. Es ist noch nicht vollständig geklärt, wie eine solche fast ideal horizontale Ausrichtung entsteht. Doppelt orientierte Säulen treten fast nur zusammen mit einfach orientierten Säulen auf. Wenn man intensive Halos von einfach orientierten Säulenkristallen sieht (z.B. Berührungsbogen), ist auch mit dem Parrybogen zu rechnen. Aus diesem Grund spricht man auch oft von parry-orientierten Säulenkristallen.


Zufällig orientierte pyramidale Kristalle

Zufällig orientierte pyramidale Krisalle

Säulen- und Plättchenkristalle haben 6 Prismenflächen und 2 Basisflächen, also insgesamt 8 Seiten. Pyramidale Kristalle haben dagegen 6 gewöhnliche Prismenflächen, 12 pyramidale Flächen und 2 Basisflächen, also insgesamt 20 Seiten. Wegen der großen Anzahl von Kristallflächen sind viele verschiedene Haloerscheinungen möglich. Wenn die Kristalle willkürlich verteilt sind, wird zum einen der 22°-Ring durch Lichtbrechung an den gewöhnlichen Prismenflächen erzeugt. Daneben gibt es mehrere andere Strahlengänge, die dann Ringe mit ungewöhnlichen Radien hervorrufen.


Vertikal orientierte pyramidale Kristalle

Vertikal orientiert pyramidale Kristalle

Pyramidale Kristalle können sich auch horizontal oder vertikal orientieren. Dann entstehen Berührungsbögen zu den Halos mit ungewöhnlichen Radien.


Rotierende Plättchenkristalle

Rotierende Plättchenkristalle

Die gängige Theorie nimmt an, dass rotierende oder pendelnde Plättchenkristalle in so großer Zahl existieren können, dass sie eigene Halos erzeugen. Die Rotationsachse verläuft dabei zwischen zwei gegenüberliegenden Punkten der Basisfläche (siehe Zeichnung). Mit rotierenden Plättchen konnte man die Lowitzbögen erklären, die von den Nebensonnen zum 22°-Halo verlaufen.