Zjawiska optyczne w
przyrodzie
Prezentację przygotowały
PIKSELKI
Gimnazjum w Łyszkowicach
W ścisłej łączności z chmurami
obserwowane są w atmosferze różne
zjawiska optyczne (fotometeory). Zjawiska
te nie mają znaczenia praktycznego,
jednak dostarczają pewnych wiadomości o
charakterze chmur, w których są
obserwowane. Są one wywołane odbiciem,
załamaniem, ugięciem i interferencją
światła słonecznego lub księżycowego w
chmurowych kropelkach wody lub
kryształkach lodu. Niektóre z nich
powtarzają się bardzo często, inne są
wielką rzadkością i trzeba mieć dużo
szczęścia, aby je zobaczyć.
Zjawiska optyczne występujące
w przyrodzie:
Tęcza
Zorza polarna
Zaćmienie Słońca i Księżyca
Miraż pustynny, czyli fata-morgana
Miraż dolny i górny
Zjawisko cienia i półcienia
Zjawisko Brockenu
Halo
Iryzacja
Wieniec (aureola)
Gloria
Tęcza
Tęcza jest jednym z
efektowniejszych zjawisk
optycznych w
atmosferze. Jest to układ
koncentrycznych łuków o
barwach od fioletowej do
czerwonej, wywołanych
przez światło Słońca lub
Księżyca, padające na
zespół kropel wody w
atmosferze.
Tęcze dzielimy na:
Główne
Wtórne
Kolory tęczy – Newton:
Zjawisko powstawania tęczy:
To zjawisko powstaje na skutek rozszczepienia światła białego i
odbicia go wewnątrz kropel deszczu. Łuk pierwszy to wynik
jednokrotnego, a drugi dwukrotnego odbicia rozszczepionego
światła wewnątrz kropli (stąd odwrócona kolejność barw i
mniejsze natężenie światła). Tęczę obserwuje się na tle chmur,
z których pada deszcz, znajdujących się po przeciwnej stronie
nieba niż Słońce lub Księżyc. Warunki, przy których obserwuje
się typową tęczę mają przeważnie miejsce w przypadku chmur
kłębiastych deszczowych. Natężenie światła, szerokość i barwa
tęczy wahają się w szerokim przedziale w zależności od
rozmiarów kropel. Tęczę obserwuje się również w bryzgach fal
morskich, wodospadów i fontann. Podczas zjawiska tęczy
widzimy tylko łuk, a nie całą ścianę barw, ponieważ wszystkie
promienie słoneczne “wpadają” do kropli wody równolegle
względem siebie i “wpadają” do oka pod określonym kątem w
stosunku do kierunku padania promieni słonecznych, 42 lub 52
stopnie.
Tęcza główna
W tęczy głównej
barwa fioletowa
występuje po
wewnętrznej stronie,
a barwa czerwona po
zewnętrznej stronie.
Tęcza wtórna
W tęczy wtórnej, o
znacznie mniejszej
jasności od tęczy
głównej, czerwona
barwa jest od
wewnątrz, a
fioletowa na
zewnątrz.
Zorza polarna
Jest ona jednym z
najpiękniejszych zjawisk
optycznych zachodzących w
przyrodzie. W większości
przypadków zorze polarne mają
odcień zielony lub
niebieskozielony. Występują w
postaci wstęg lub plam podobnych
do obłoków. Podczas zjawiska
zorzy polarnej protony i elektrony
wpadające w obręb pola
magnetycznego Ziemi powodują
jonizację i wzbudzenie atomów i
cząsteczek gazów znajdujących
się w atmosferze. Zjawisko to ma
najczęściej miejsce na biegunach,
ponieważ tam jest największa
koncentracja protonów i
elektronów. Świecenie zielone i
czerwone powodują wzbudzone
atomy tlenu, podczerwone i
fioletowe – zjonizowane cząsteczki
azotu. Zorze pojawiają się
zazwyczaj dzień lub dwa po
wybuchach na Słońcu.
Zaćmienie Słońca i Księżyca
Do zaćmienia Słońca dochodzi,
gdy Księżyc poruszający się po
orbicie wokół Ziemi znajdzie się
pomiędzy Słońcem a Ziemią. W
zależności od rozmiarów
kątowych oraz wzajemnego
położenia tarczy Słońca i Księżyca
w momencie zaćmienia, wyróżnia
się zaćmienia częściowe,
całkowite i obrączkowe.
Do zaćmienia księżyca
dochodzi, gdy Ziemia znajdzie się
pomiędzy Słońcem a Księżycem
przesłaniając promienie
słoneczne padające na Księżyc. W
zależności od tego jaki fragment
tarczy Księżyca znajdzie się w
cieniu Ziemi, wyróżnia się
zaćmienia częściowe, całkowite i
półcieniowe.
Zaćmienie obrączkowe
Miraż pustynny, czyli fata-
morgana
Załamujący się promień świetlny zawsze skręca w
kierunku gęstszego powietrza, bądź środowiska. Gęstsze
powietrze, jest to powietrze o wyższej temperaturze,
cząsteczki jego poruszają się szybciej i jest ono gęstsze.
Potoczną nazwą tego zjawiska jest “fata-morgana” i
kojarzy się najczęściej z widocznym na pustyni jeziorem
otoczonym palmami. Podstawą jest różnica temperatur
przy powierzchni Ziemi. W dzień piasek na pustyni
nagrzewa się bardziej niż powietrze i w efekcie po
nadejściu wieczoru ogrzewa on najbliższą warstwę
powietrza. Powstaje “warstwowy układ temperatury” –
przy Ziemi najcieplej, a kilka metrów wyżej jest już ono
dużo chłodniejsze. Promień światła przechodzący nad
powierzchnią zostaje zagięty w górę, w kierunku
chłodniejszego (gęstszego) powietrza.
Fata-morgana
Miraż dolny i górny
Miraże dolne obserwuje się pod horyzontem. Powstają
one na bardzo gorących, rozgrzanych obszarach, takich
jak pustynie lub stepy. Temperatura Ziemi w tamtym
miejscu jest o wiele wyższa od temperatury najniższej
warstwy powietrza. Miraże dolne mogą być odwrócone
lub proste.
Np. Gdy jedziemy samochodem w upalny dzień i na
drodze w oddali wydaje nam się, że widzimy wodę albo
brzeg jeziora. Jednak tak naprawdę jest to obraz nieba
odbity od najniższych warstw nad drogą w danej
odległości od nas.
W mirażu górnym promienie odbite ulęgają takiemu
zakrzywieniu, że obserwator widzi ich obrazy powyżej
linii horyzontu. Ten rodzaj mirażu można najczęściej
zaobserwować nad morzem, ponieważ temperatura
powietrza jest znacznie niższa od temperatury morza.
Zjawisko cienia i półcienia
Światło rozchodzi się
po linii prostej, więc gdy
napotyka przeszkodę o
rozmiarach podobnych z
długością fali λ , to z tyłu
za nią pojawi się cień.
Jeżeli źródło światła jest
punktowe to utworzy się
cień pełny, a jeżeli źródło
światła będzie miało
duże rozmiary liniowe, to
z tyłu przedmiotu
utworzą się obszary
cienia i półcienia.
Zjawisko Brockenu
Zjawisko Brockenu jest zjawiskiem świetlnym
rzadko występującym w atmosferze ziemskiej.
Powstaje w górach, przy niskim położeniu Słońca
nad horyzontem, gdy powiększony do
nadnaturalnej wielkości cień obserwatora pojawia
się na rozpostartych wprost przed nim, albo niżej
od niego chmurach warstwowych, zalegających w
dolinach. Inaczej mówiąc, obiekt znajdujący się
pomiędzy Słońcem, a chmurami, rzuca cień
wnikający głęboko w chmury. Cień często
otoczony jest barwną aureolą. Jeżeli w zjawisku
bierze udział kilka osób, to każda z nich widzi
jedynie swoją aureolę. Nazwa zjawiska pochodzi
od wzniesienia Brocken w górach Harz (Niemcy),
gdzie zaobserwowano je po raz pierwszy.
Halo
Halo jest jednym z ciekawszych zjawisk
optycznych na niebie i powstaje na skutek
załamania światła w chmurze zawierającej
kryształki lodu. Występuje, jako barwny
świetlisty pierścień, w którego środku znajduje
się tarcza Słońca lub Księżyca. Krąg ten ma
zwykle słabo widoczne zabarwienie czerwone
od wewnątrz i w rzadkich przypadkach
fioletowe na zewnątrz. Część nieba wewnątrz
kręgu jest wyraźnie ciemniejsza niż na
zewnątrz.
Halo nazywamy również inne zjawiska optyczne w przyrodzie.
Słup światła
Oprócz pierścieni, które są podstawowymi postaciami zjawisk
halo występują również pionowe słupy świetlne, przechodzące
przez tarczę Słońca lub Księżyca, obserwowane przy tych
ciałach niebieskich. W bezwietrzny mroźny poranek można
czasami zobaczyć, jak nad Słońcem widać w powietrzu igły
połyskujące w jego promieniach oraz słupy świetlne. Słupy
świetlne bywają czasami widoczne podczas bezwietrznej,
mroźnej pogody nad latarniami. Pojawienie się tych słupów
związane jest z odbiciem promieni od ścian unoszących się w
powietrzu kryształków lodu. Aby można było zaobserwować to
zjawisko w powietrzu musi znajdować się obłok kryształków
lodu, których ścianki znajdują się w poziomie. Wtedy promienie
odbijają się od nich i następuje załamanie promieni
słonecznych. Oko rzutuje je na sklepienie niebieskie i
obserwatorowi wydaje się, że przy słońcu powstają słupy
świetlne. Słupy poziome tworzą się poprzez odbicie promieni
światła od kryształków, które spadając obracają się wokół swojej
osi pionowej. Słupy tworzące się nad latarniami są wywołane
odbiciem światła od płatków śniegu, kropel mgły lub cząstkach
pyłu unoszącego się w powietrzu.
Wieniec
Wieniec jest to jedna lub kilka serii barw
pierścieni o stosunkowo małym promieniu,
otaczających bezpośrednio tarczę ciała
niebieskiego. W każdej serii pierścień wewnętrzny
jest fioletowy lub niebieski, a pierścień
zewnętrzny - czerwony; między nimi mogą
występować inne barwy. Najbardziej wewnętrzna
seria, mająca promień na ogół nie większy niż 5
stopni i nosząca nazwę aureoli, wykazuje zwykle
wyraźny pierścień zewnętrzny o czerwonawej lub
kasztanowej barwie. Wieńce wywołane są
ugięciem światła w znajdujących się przed tarczą
Słońca lub Księżyca cienkich chmurach,
zbudowanych z drobnych, jednorodnych kropelek
wody, zazwyczaj są to chmury średnie kłębiaste.
Iryzacja
Iryzacja to tęczowe barwy powstające czasem na
powierzchni przezroczystych ciał w wyniku
interferencji światła. Obserwuje się je, jako mieniące
się tęczowe plamy barwne na wodzie. Układy barw
przeważnie zielonych i różowych, często o
odcieniach pastelowych, są obserwowane na
chmurach. Barwy te bywają niekiedy pomieszane,
niekiedy zaś w postaci smug prawie równoległych do
brzegów chmur. Barwy iryzacji są często błyszczące i
przypominają kolor masy perłowej. Zjawisko iryzacji
chmur w istocie jest tego samego pochodzenia co
wieńce i występuje przy chmurach kłębiastych.
Gloria
Gloria powstaje na skutek dyfrakcji światła na kroplach wody
lub kryształkach lodu. Jest zjawiskiem optycznym polegającym
na wystąpieniu barwnych pierścieni wokół cienia obserwatora
widocznego na tle chmur lub mgły, przy czym niebieski
pierścień ma mniejszą średnicę od czerwonego. Gloria podobna
jest do wieńca, jednak powstaje nie dookoła Słońca lub
Księżyca, lecz dookoła punktu, położonego po stronie
przeciwnej względem tarczy ciała niebieskiego. Zjawisko to
występuje na chmurach, położonych na wprost przed
obserwatorem, albo niżej od niego. Na te same chmury pada
cień obserwatora i wówczas wydaje się, że gloria otacza cień
jego głowy.
Uwaga: Jeśli chmura lub mgła są dość blisko obserwatora,
jego cień wydaje się bardzo duży; nazywa się to wówczas
zjawiskiem Brockenu, niezależnie od tego czy jest otoczony
barwną glorią.