Kringen, koude en kristallen

Op 14 juli 1865 bereikte de Britse alpinist Edward Whymper als eerste de top van de Matterhorn. Tijdens de terugtocht gleden vier van zijn metgezellen echter uit en stortten in de afgrond. Tegen de avond zag Whymper aan de lucht een enorme lichtkring met drie kruisen. 'De spookachtige lichtverschijnselen hingen onbeweeglijk', schreef hij later in zijn (zelf geillustreerde) boek Scrambles among the Alps (1871), 'het was een wonderlijk en ontzettend schouwspel, enig in mijn ervaring en onbeschrijflijk indrukwekkend op zulk een ogenblik'.

Wat Whymper had gezien was een combinatie van lichtverschijnselen aan de hemel die tot de grote groep van de halo-verschijnselen behoren. Ze worden veroorzaakt door de reflectie of breking van zonlicht (of 'snachts maanlicht) aan ijskristallen die in de atmosfeer zweven. Ze zijn allerminst zeldzaam en komen overal op aarde voor. Dat er toch betrekkelijk weinig mensen zijn die ze opmerken komt doordat ze (in tegenstelling tot de veel zeldzamere regenboog) vaak aan het fel verlichte deel van de hemel rond de zon staan.

Kunststof model

Hoewel halo's alles te maken hebben met de fysica van de atmosfeer, staan ze in de wetenschap niet erg in de belangstelling. Een van de weinigen in Nederland die er serieus onderzoek aan verrichten is dr. Gunther P. Konnen van de afdeling fysische meteorologie van het KNMI in de Bilt. Als ik hem op een avond in zijn woning opzoek, staat hij al met een kunststof model van een ijskristal klaar en even later is mijn overhemd het scherm waarop de breking en polarisatie van het zonlicht worden gedemonstreerd. 'Het is als een hobby begonnen', zegt Konnen, 'en dat is het nog steeds'. Maar de resultaten ervan zijn inmiddels ver aan het hobbystadium ontstegen.

Vroeger werden haloverschijnselen op een hoop gegooid met andere vreemde verschijnselen aan de hemel, zoals bliksem, poollicht, meteoren en kometen. Dat waren allemaal 'vurige verschijnselen' die volstrekt onvoorspelbaar leken. De Franse fysicus Edme Mariotte (1620-1684) was de eerste die kringen om de zon met behulp van ijskristallen in de atmosfeer kon verklaren. Hij ontdekte de prismatische vorm van die kristallen en kon uit hun vorm en brekingshoek de juiste grootte van de halo van 22 graden rond de zon afleiden. Later gelukte dat anderen ook bij andere halovormen.

Aangezien halo's alleen in aanwezigheid van 'ijsnevels' optreden, moet de temperatuur onder het vriespunt liggen. Dit betekent echter niet dat halo's alleen in koude streken optreden, want ook in onze streken en zelfs in de tropen komen ze voor. Wanneer men in de zomer hoge cirrusbewolking (windveren) of cirrostratus (sluierwolken, hoge egale nevel) ziet, dan kijkt men naar wolken waarin de temperatuur ver onder het vriespunt ligt en die dus ijskristallen bevatten. Cirrostratuswolken zijn vaak voorboden van lagedrukgebieden, dus regenkansen. Daarom zit in de weerspreuk 'ring om de zon, water in de ton' statistisch gezien een zekere waarheid.

Bijzonnen

De ijskristalletjes die halo's veroorzaken zijn in het algemeen zeshoekjes met afgeplatte uiteinden. Bij zo'n kristalvorm zijn er vele combinatie van brekingen en reflecties mogelijk. Verder is de stand van de zwevende ijskristallen van belang. De combinatie van stand en lichtweg door het kristal bepaalt welke halovorm er ontstaat. Men onderscheidt onder andere kringen, bijzonnen, bogen, cirkels, zuilen, kruisen en tegenzonnen en combinatie daarvan. Vele vormen kunnen thans met behulp van computersimulaties worden nagebootst, maar toch niet alle. Af en toe wordt er zelfs iets waargenomen wat theoretisch niet zou kunnen. De atmosfeer heeft ook in optisch opzicht nog steeds verrassingen in petto.

Vanuit Nederland zijn er in de loop van de tijd ongeveer vijftig halovormen waargenomen. Het grootste deel hiervan is vrij zeldzaam, maar verschijnselen als de kleine kring rond de zon (met een straal van 22 booggraden) en bijzonnen op 22 graden aan weerszijden van de zon komen veelvuldig voor. In ons land kan een oplettende waarnemer gemiddeld op 230 dagen per jaar wel een haloverschijnsel zien. Het KNMI krijgt wel eens telefoontjes van verontruste mensen die niet weten wat ze zien.

IJskristallen

Gunther Konnen is al jarenlang geinteresseerd in de samenhang tussen optische en fysische verschijnselen in de atmosfeer. Met een Amerikaanse collega heeft hij daartoe ook onderzoek gedaan in Antarctica. Het tweetal heeft enkele weken gebivakkeerd op het Amundsen-Scott South Pole Station, waar niet-Amerikanen zelden worden toegelaten. Dat was nu echter wel toegestaan nadat Konnen samen met zijn Amerikaanse collega een beurs had gekregen van de National Science Foundation. Het doel van het onderzoek was vooral het meten van de polarisatie van halo's en het opvangen van de daarvoor verantwoordelijke ijskristallen.

'Op de Zuidpool hangen de ijskristallen opeens om je heen', zegt Konnen, 'je zit daar zo hoog, 3000 meter boven zeeniveau, dat je in de neerslag zelf zit. In Alaska en op Groenland zou je ook kristallen kunnen opvangen, maar op de Zuidpool zijn de omstandigheden verreweg het beste omdat je daar op een hoogvlakte zit en de omstandigheden zeer goed bekend zijn. Je hebt er bijna uitgeturbuleerde wind en de kristalletjes tuimelen er niet. Nergens anders dan in Antarctica zie je zulke exceptionele halo's'.

In de zomer op de Zuidpool staat de zon er vrij hoog aan de hemel en heerst er een 'comfortabele' temperatuur van minus 25 graden. Gewoonlijk was de hemel boven de basis strakblauw, maar opeens kon hij wittig worden, verschenen er halo's en doemden er ijskristalletjes op. Ze waren slechts enkele tienden van een millimeter groot, maar door hun kleurenspel duidelijk zichtbaar. 'Dat duurde maar heel kort', aldus Konnen, 'want de wolk van ijskristalletjes drijft voorbij zoals een regenwolk dat hier bij ons doet'.

De twee onderzoekers vingen de kristallen op in schaaltjes met hexaan, waarin ze een tijdje goed bleven en dus onder een microscoop konden worden gefotografeerd. Daarnaast werden de kristallen opgevangen op microscoopglaasjes waarop een acrylachtige stof was aangebracht. Na het uitharden van het acryl bleven de afdrukken van de inmiddels verdampte kristallen hierin achter. Van de halo zelf werden tegelijkertijd opnamen gemaakt met een op de Kapteyn-sterrenwacht in Roden omgebouwde pasfotocamera. Voor de vier lenzen waren polarisatiefilters aangebracht, zodat in een keer de polarisatie van de halo in vier verschillende richtingen kon worden bepaald. Dat zou op een andere manier, door opnamen na elkaar te maken, nooit gelukken vanwege het sterk veranderlijke karakter van halo's.

Alles wat los en vast zat

Dat halo's gepolariseerd zijn heeft Konnen overigens jaren geleden als eerste ontdekt. Dat gebeurde toen hij tijdens het schrijven van een boek over gepolariseerd licht in de natuur met een polarisator 'naar alles keek wat los en vast zat, ook naar dingen waarvan men niet wist of ze wel gepolariseerd zouden zijn'. De polarisatie blijkt uit het feit dat het haloverschijnsel een geringe verschuiving vertoont als men een polarisatiefilter voor het oog (of de camera) ronddraait. De verschuiving bedraagt slechts eentiende graad (een kwart maandiameter), maar is merkbaar als men een goede referentie heeft. De oorzaak ervan is gelegen in de dubbelbrekende eigenschappen van de betreffende ijskristallen.

Konnen: 'Het aardige van het Zuidpoolonderzoek is dat we hetzelfde verschijnsel op verschillende manieren registreerden. We kregen de vorm van de halo, de polarisatie en de vorm van de kristallen en daardoor kunnen we opeens ontzettend veel aan elkaar knopen. Je kunt het vergelijken met spectraalanalyse. Die kun je natuurlijk op afstand doen, maar wanneer je de atomen waar het om gaat er nooit bij hebt gehaald, weet je eigenlijk niet waar je echt mee te maken hebt'.

De polarisatie-opnamen worden nu uitgemeten met de 'Astroscan' van de Sterrewacht Leiden. De resultaten daarvan en het 'aan elkaar knopen' van de verschillende fysische registraties gebeurt met behulp van speciale computerprogramma's.

Konnen is er zelfs in geslaagd om via zijn 'halohobby' de aanwezigheid van (dubbelbrekende) ijskristallen in de atmosfeer van Venus aan te tonen. sommige astronomen hadden voorspeld dat zich in de hogere, koude lagen van de atmosfeer van Venus (waar het aan het oppervlak verzengend heet is) ijskristallen zouden bevinden. Konnen bedacht dat deze kristallen, wanneer ze tenminste dubbelbrekend zouden zijn, een polarisatie-effect zouden moeten veroorzaken in het licht van Venus wanneer deze planeet vanaf de aarde gezien op 22 graden van de zon staat. Venus moet dan dus overdag worden waargenomen, maar dat is niet zo'n probleem.

Bijzonder geluk

Samen met de Nederlandse astronoom J. Tinbergen heeft Konnen Venus waargenomen met de Kapteyn-telescoop op de Brits-Nederlandse sterrenwacht op La Palma. Tijdens hun waarnemingsperiode van vijftien dagen hadden ze op een dag een bijzonder geluk. De hemel boven La Palma werd even bedekt door cirrusbewolking en daarin verscheen de halo van 22 graden. De bood hen een unieke gelegenheid om de polarisatie-effecten die zij aan Venus wilden meten te calibreren, te meer daar de hemel slechts tien minuten later weer opklaarde en men direct met het waarnemen van Venus kon verdergaan.

De uitgewerkte resultaten van de waarnemingen zullen volgend jaar worden gepubliceerd. Zij laten zien dat men inderdaad een halo-effect in de atmosfeer van Venus heeft gedetecteerd, dus dat er zich daar inderdaad dubbelbrekende ijskristallen moeten bevinden. 'We hebben ook gezien dat de hoek een beetje verkeerd is', zegt Konnen. 'Dat is mooi, want er zitten daar ook veel druppeltjes zwavelzuur en dat betekent waarschijnlijk dat deze kristallen verontreinigd zijn. Je kunt de hoeveelheid verontreiniging dan gemakkelijk berekenen'.

'Als je naar bijvoorbeeld Mars of Saturnus zou gaan, dan zou je ook daar naar het halo-effect in de atmosfeer kunnen kijken en heb je kans om ook daar dubbelbrekende kristallen te vinden', aldus Konnen. 'Het enige vervelende is dat je aan die hoek van 22 graden vastzit en dat betekent dat je aan de achterkant van de planeet moet gaan waarnemen'.

Dat zou kunnen gebeuren vanuit een ruimtesonde die langs zo'n planeet vliegt of er in een baan omheen wordt gebracht. Konnen zou graag zien dat men zo'n polarimeter inbouwt in de Cassini-ruimtesonde, die wellicht in 1996 naar Saturnus en zijn grote satelliet Titan wordt gestuurd.

Zilverwitte onderzon

Haloverschijnselen worden overigens al lang waargenomen vanuit kunstmanen die rond onze eigen planeet draaien. Op opnamen van weersatellieten is soms een zilverwitte onderzon op het wolkendek te zien: de reflectie van zonlicht op horizontaal gerichte ijskristallen. Konnen is er vast van overtuigd dat echte polarisatiemetingen vanuit weersatellieten nog eens van belang zullen zijn voor de weersverwachting. 'Dat klinkt misschien wat zwaar, maar via zulke metingen zou je iets kunnen zeggen over de hoeveelheid los ijs dat er in onze dampkring zweeft en de computermodellen van de atmosfeer eten alles. Ik zou nu nog niet weten hoe je dat er in moet stoppen, maar op den duur is dat gegeven gewoon bruikbaar, zoals alle andere gegevens'.

Deze winter gaat Konnen opnieuw naar Antarctica, ditmaal naar de Russische basis Vostok. Deze basis ligt een eind van de geografische zuidpool vandaan, waardoor de zonshoogte er in de loop van de dag varieert (in tegenstelling tot de hoogte op de Zuidpool zelf). Bij verschillende zonshoogten ontstaan iets andere halo's, zodat er dan ook aan dit effect kan worden gemeten. Ook de Vostok-basis is voor buitenstaanders moeilijk toegankelijk. Maar nu wordt door de Verenigde Staten de uitwisseling van wetenschappers gestimuleerd en Konnen's onderzoek aan halo's is in dat kader uitgeroepen tot een van de projecten waarin deze samenwerking gestalte kan vinden.

R. Greenler, Rainbows, Halos and Glories, Cambridge 1980

G. P. Konnen, Gepolariseerd licht in de natuur, Zutphen 1980