В ясные морозные зимние дни вокруг Солнца видно большое кольцо — гало (с ударением на последнюю букву), а иногда и два ярких пятна на нём — ложные солнца, или паргелии.
Оба явления рождаются высоко над землёй, формируясь в перистых облаках. Эти облака состоят из маленьких кристаллов льда: на высоте 5—10 километров всегда держится отрицательная температура — и зимой, и даже летом. Льдинки в них образуются непосредственно из водяного пара и принимают форму правильных шестигранных призм — столбиков и пластинок, а не привычных красивых снежинок. Столбики растут при температуре ниже —20°C, пластинки — от —10 до —20°C. Влажность воздуха на уровне поверхности Земли при этом, в общем-то, значения не имеет.
Размер этих кристаллов не превышает нескольких миллиметров, и поэтому они очень лёгкие и падают с небольшой скоростью, всего лишь миллиметры в секунду. В спокойном безветренном воздухе при падении они в основном ориентированы так, что их оси симметрии вертикальны.
Освещающий их солнечный свет может или отразиться, или преломиться на вертикальных боковых поверхностях: кристаллики работают и как микроскопические зеркала, и как миниатюрные призмы одновременно.
Отражённая часть видна нам как полоса, параллельная горизонту и проходящая через Солнце, — паргелический круг. А отражения от горизонтальных граней кристалла, особенно от нижних, формируют световые столбы. Такие же столбы иногда можно наблюдать ночью в безветренную морозную погоду над уличными фонарями.
А вот преломлённые лучи заметны только на небольшой части этого кольца, вблизи угла отклонения от первоначального направления световых лучей примерно 22°: именно туда уходит бо́льшая часть лучей, попавших внутрь кристалла.
Когда похожее явление происходит в сферических каплях воды, мы наблюдаем радугу. Паргелии окрашены не так ярко, как радуга: вместо перехода цветов по всему спектру от красного к фиолетовому паргелии с ближней к Солнцу стороны красноватые, а с противоположной — синеватые и повторяют цвет Солнца посередине. Это связано с тем, что показатель преломления льда слабее зависит от длины волны (цвета) падающего света, чем у жидкой воды. Как и обычная радуга, паргелии могут растянуться в кольцо, если кристаллики падают не вертикально, а беспорядочно (например, пролетая через слой, в котором дует ветер). В этом случае они и образуют солнечное гало.
Игра света в ледяных кристаллах создаёт ещё много других явлений, не только вокруг Солнца, но и вокруг Луны. И за всей этой красотой скрываются такие простые и обычные законы отражения и преломления света.
