FIZYKA

Zjawiska optyczne

Autorzy:

Monika Butryn

Sylwia Kudyba

KL. III „d” gim.

Zjawiska optyczne

- Tęcza;

- Zorza polarna;

- Halo;

- Gloria;

- Wieniec;

- Miraż;

- Iryzacja;

CIEKAWOSTKI

- Słup świetlny;

- Zielony błysk;

- Parhelium;

- Rozpraszanie;

 
Przyroda, która stworzyła najpiękniejsze góry świata nie poskąpiła nam też innych
doznań, które nie istotne w zwykłej szarej codzienności. Cóż znaczy tęcza, albo zachód
słońca nad wieżowcami, kto fascynuje się burzą stojąc w ulicznym korku, lub poranną rosą
na osiedlowym trawniku? Na przykład w górach można spotęgować swoje doznania
upajając się nie tylko pięknymi widokami, ale także niesamowitymi zjawiskami meteo na
ich tle. 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.

Co to jest światło? Pytanie to ludzie zaczęli zadawać sobie już dawno temu.
Spoglądali w niebo i dziwili się mnogością zjawisk w atmosferze. Widzieli, że gdy Słońce
wschodzi, niebo nad horyzontem jaśnieje, staje się czerwonawe, potem żółtawe, by na
koniec zabarwić się na niebiesko. Kiedy zaś Słońce zachodzi, niebo zmienia swoją barwę od
niebieskiej poprzez zieloną, żółtą, pomarańczową, by wreszcie stać się czerwone. Czasami
nocą Księżyc otoczony jest kolorowymi pierścieniami o różnej intensywności. W ciągu dnia
niebo często rozjaśnia się barwami tęczy.
      Termin "optyka" pochodzi od greckiego słowa optikos, co znaczy "widzialny". Optyka
jest nauką o świetle. Historia optyki zaczęta się w Grecji, dwa i pół tysiąca lat temu.
Starożytni Grecy byli zafascynowani sekretami światła i widzenia. Badali kolory i zjawiska z
nimi związane, jak na przykład tęcze. Udało im się nawet sformułować prawa rozchodzenia
i odbijania się światła. Grecy wierzyli, że musi być jakiś kontakt pomiędzy widzianym
obiektem a organem widzenia.

Zjawiska optyczne występujące w przyrodzie.

TĘCZA

 

Tęcza - piękne zjawisko niebieskie - zawsze przyciągała uwagę człowieka. W dawnych

czasach, gdy ludzie jeszcze bardzo mało wiedzieli o otaczającym ich świecie, traktowali
tęczę jako "znak niebios". I tak starożytni Grecy myśleli, że tęcza to uśmiech bogini Iris.
Tęczę obserwuje się na tle chmur deszczowych lub deszczu w kierunku przeciwnym do
położenia Słońca. Różnokolorowy łuk znajduje się zazwyczaj w odległości od 1 do 2 km
od obserwatora, niekiedy można go zaobserwować w odległości od 2 do 3 m na tle
kropel wodnych unoszących się w powietrzu wokół fontanny lub rozpylacza.

Środek tęczy znajduje się na przedłużeniu prostej łączącej Słońce z okiem

obserwatora na linii dosłonecznej. Kąt między linią poprowadzoną od oka obserwatora
do zewnętrznego punktu podstawy tęczę głównej i linią dosłoneczną (zewnętrzny
promień kątowy) wynosi 41-42°.
W momencie wschodu Słońca punkt przeciwsłoneczny znajduje się na linii horyzontu i
tęcza ma kształt półokręgu. W miarę wznoszenia się Słońca punkt przeciwsłoneczny 
opuszcza się poniżej horyzontu i rozmiary tęczy zmniejszają się. Staje się ona tylko
częścią półokręgu. Obserwator znajdujący się wysoko, na przykład w samolocie, widzi
tęczę jako pełny okrąg z własnym cieniem pośrodku.

Często obserwuje się drugą tęczę wtórna, współśrodkową względem pierwszej
tęczy - głównej, o promieniu kątowym około 52° i o odwrotnym rozkładzie barw. Przy
wysokości Słońca 41° tęcza główna przestaje być widzialna, a nad horyzontem wystaje
jedynie część tęczy wtórnej, zaś przy wysokości Słońca przekraczającej 52° nie widać
nawet tęczy wtórnej. Dlatego w średnich i równikowych w godzinach południowych tego
zjawiska przyrody nigdy się nie obserwuje.
W tęczy, podobnie jak w widmie, rozróżnia się siedem barw podstawowych pilnie
przechodzących jedną w drugą. Kształt łuku, jaskrawości barw, szerokość pasm zależą
od rozmiarów i liczby kropelek wody. Duże krople tworzą węższa tęczę z wyraźnie
oddzielonymi barwami, zaś małe - łuk rozmyty, wyblakły a nawet biały. Właśnie dlatego
jaskrawa, wąska tęcza widoczna jest latem po burzy, podczas której padają ciężkie
krople deszczu.

 

 

Pierwsza teorię tęczy opracował w 1637 roku Kartezjusz. Objaśniał on tęczę jako

zjawisko związane z odbiciem i załamaniem światła w kroplach deszczu.
Teoria dyfrakcyjna tęczy została opracowana przez Airy' ego.

  Dla niektórych kłopotliwe jest pytanie, dlaczego tęcza jest okrągła i występuje
w postaci łuku? Wydaje im się bowiem, że skoro krople deszczu spadają chaotycznie,
to również światło biegnące od nich w kierunku obserwatora powinno rozpraszać się
chaotycznie i przed oczyma obserwatora powinna powstać zwarta ściana świetlna.
Byłoby tak istotnie, gdyby na krople padało światło rozproszone z różnych kierunków.
Wiemy jednak, że na  kroplę deszczu padają równoległe wiązki światła i stąd też
wszystkie promienie z kropli rozchodzą się i wpadają do oka pod określonym kątem w
stosunku do padania promieni słonecznych (42° lub 52°). Jeżeli oko znajdzie się w innym
miejscu, nie pokrywającym się z tym kierunkiem (na przykład jeśli obserwator wzniesie
się na samolocie), to po prostu nie zobaczy ono łuku. 
 

Najczęściej spotykamy jedną tęczę.
Czasem się zdarza, że na nieboskłonie
pojawiają się jednocześnie dwa tęczowe
pasma, jedno nad drugim.
Spotykamy się niekiedy, co prawda dość
rzadko, większą liczbę łuków tęczy - trzy,
cztery a nawet pięć jednocześnie. 

 
 

Jeżeli tęcza pojawia się wieczorem przed

zachodem Słońca, ma ona kolor czerwony. Na
pięć lub dziesięć minut przed zachodem Słońca
wszystkie barwy tęczy oprócz czerwonej
znikają, tęcza staje się bardzo czerwona i
widoczna nawet po upływie 10 min. od
zachodu Słońca. Piękny widok przedstawia
tęcza na rosie. Można ją zaobserwować przy
wschodzie Słońca na trawie pokrytej rosą.
Tęcza taka ma kształt hiperboli.

Okazuje się, że tęcza może powstawać nie
tylko
od bezpośrednich promieni słonecznych;
czasem
powstaje ona także od odbitych promieni
Słońca.
Można to zobaczyć nad brzegami zatok,
dużych
rzek i jezior. Trzy lub cztery takie tęcze –
zwykłe i odbite- tworzą wtedy piękny widok.
Ponieważ promienie Słońca odbite od
powierzchni
wody biegną z dołu do góry, to tęcza tworząca
się
w tych promieniach może czasem wyglądać
zgoła
nieoczekiwanie. Nie należy sądzić, że tęcz
można
zaobserwować tylko w ciągu dnia.
Zdarza się ona i w nocy, co prawda bardzo
słaba.
Taką tęczę można ujrzeć po nocnym deszczu,
kiedy zza chmur wyjrzy Księżyc.

ZORZA POLARNA

Zorza polarna jest jednym z najwspanialszych widowisk, które daje nam przyroda. Jej
światło pulsuje, zmienia swe barwy i natężenie. Przybiera kształty firanek, draperii, koron,
wstęg i świetlistych smug. Przez cały czas obraz się zmienia.

W przeciwieństwie do tęczy, której usytuowanie pozornie zmienia się w zależności od
pozycji obserwatora, zorza polarna zawsze umiejscowiona jest w określonych miejscach w
górnych warstwach atmosfery. Ma ona postać podobnych do płomieni łuków czy promieni,
jednakże jej zadziwiający, nieziemski blask nie jest poświatą jakiegoś płomienia, lecz
przypomina raczej światło wytwarzane przez wyładowania elektryczne w lampie neonowej.

Zorze polarne - północna i południowa - najczęściej pojawiają się w dwóch pasach
otaczających odpowiednio Biegun Północny i Biegun Południowy, w tak zwanych "strefach
zorzowych" (ok. 20-25 stopni od bieguna magnetycznego). Zwykle rozciągają się z zachodu
na wschód. Fakt, iż są niemal prostopadłe do kierunku wskazywanego przez igłę
kompasową, każe przypuszczać, że mogą mieć coś wspólnego z polem magnetycznym
Ziemi.

Arktyczne niebo, zwłaszcza w północnej

Kanadzie,
północnej Norwegii i na Spitzbergenie, stanowi
znakomite
tło dla najwspanialszych widowisk, gdyż jest
ciemniejsze
i czystsze niż niebo nad gęsto zaludnionymi
obszarami
Europy. Najlepszym okresem do obserwacji zorzy
polarnej północnej jest luty, gdy nad północnymi
regionami polarnymi przez całe tygodnie
nieprzerwanie
zalegają układy wysokiego ciśnienia
barometrycznego.

W tym okresie zorze można obserwować niemal podczas każdej nocy, gdy niebo jest
czyste, chociaż w świetle Księżyca bywają one mniej wyraźne. Najjaśniejsze gwiazdy mogą
być widoczne podczas trwania zorzy, ale jej blask jest dostatecznie silny, by móc przy nim
czytać.

Zorza pojawia się zwykle jako długa,

pofalowana wstęga lub kurtyna, aczkolwiek
czasami wygląda niczym rozmyta,
bezkształtna,
lecz świecąca masa. Jeżeli widoczna jest
niemal
nad głową, to patrząc na jej dolną krawędź
odnosi
się wrażenie, iż jest niezwykle cienka i
wysoka;
czasami rozciąga się w górę na wysokość
650-800 kilometrów, choć niektóre zorze
mają
wysokość zaledwie 30-50 kilometrów.

Najwyższe zorze występują zwykle w tych warstwach atmosfery, które są oświetlane

promieniami słonecznymi, nawet jeżeli dla obserwatora na powierzchni Ziemi Słońce
znajduje się pod widnokręgiem. Z powodu krzywizny Ziemi zorze takie, widziane w,
wydają się niskie. W rzeczywistości sięgają jednak wysoko w niebo, tyle że oddalone są o
setki kilometrów.

Poszczególne zorze mogą wyglądać tak,

jakby składały się z przypadkowo
następujących po sobie pięknych i delikatnie
zabarwionych form, lecz typowy spektakl zorzy
- zazwyczaj pobliżu widnokręgu związany z
burzami magnetycznymi - odbywa się na ogół
według pewnego scenariusza, w którym można
rozróżnić pięć stadiów.

Pierwszą zapowiedzią rozpoczęcia się zorzy jest zwykle

pojawienie się w północnej części nieba, wkrótce po zachodzie
Słońca, łuku zielonego światła (zwanego "cichym łukiem").
Tworzą go pionowe warstwy lub kurtyny świetlne o grubości
kilkuset metrów, które biegną wzdłuż linii o tej samej szerokości
geomagnetycznej. Może się rozciągać na przestrzeni setek,
a nawet tysięcy kilometrów i zwykle utrzymuje się bez większych
zmian mniej więcej przez godzinę.

Fakt, iż zorza polarna jest związana z polem magnetycznym Ziemi,

nie wyjaśnia jeszcze przyczyn jej powstawania. Podziwiający jej
jasne, pulsujące barwy Arystoteles stwierdził, że powietrze zmienia
się w płynny ogień. Od wielu jednak lat wiadomo już, że zorze
polarne wytwarzane są przez cząsteczki emitowane przez Słońce.
Poruszają się one z tak olbrzymią prędkością, iż są zdolne przeniknąć
głęboko w górne warstwy atmosfery ziemskiej, do jonosfery. I
nwazja tych szybko poruszających się cząsteczek uderza w drobiny
powietrza (głownie tlen i azot), które zaczynają wydzielać światło
(luminescencję) i w ten sposób powstaje zorza polarna. Rozmaite
jej postacie są wytwarzane przez różnego rodzaju cząsteczki.

Zorze nabrały istotnego znaczenia praktycznego w latach dwudziestych naszego wieku,
gdy po raz pierwszy wykorzystano odbicie fal radiowych od jonosfery w celu zwiększenia
zasięgu komunikacji radiowej. Stwierdzono wówczas, że zorze pochłaniają niektóre
sygnały radiowe i powodują niekorzystne odbicia innych. Jednakże dzisiaj sygnały radiowe
są transmitowane z krążących na wysokich orbitach satelitów; przechodzą zatem
prostopadle przez jonosferę i w znacznie mniejszym stopniu ulegają zaburzeniom.

Wiele pytań dotyczących zórz polarnych do dziś pozostaje jednak bez odpowiedzi. Na

przykład zorzy często towarzyszą krótkotrwałe pola elektryczne w górnych warstwach
atmosfery, które indukują prądy na powierzchni Ziemi. Prądy te zaburzają pracę
dalekopisów i telefonów, wykorzystujących długie linie komunikacyjne, a także powodują
błędne odczyty aparatury używanej do poszukiwań ropy naftowej lub minerałów.

Silne prądy mogą nawet uruchomić

wyłączniki awaryjne, powodując przerwy w
dostawie prądu, jak to się wydarzyło w marcu
1968 roku w Quebecu, w Kanadzie.

MIRAŻ

Zakrzywienie promienia w ośrodku o współczynniku załamania zmniejszającym się
wraz ze zwiększaniem się wysokości. W ośrodku niejednorodnym światło rozchodzi się
nieprostoliniowo. Jeśli wyobrazimy sobie ośrodek, w którym współczynnik załamania
zmienia się w miarę zmiany wysokości i w wyobraźni dokonamy jego podziału na cienkie
poziome warstwy, to rozpatrując warunki załamania światła przy przejściu z warstwy do
warstwy, stwierdzimy, że w takim ośrodku promień światła powinien stopniowo zmieniać
swój kierunek. Takiemu skrzywieniu promień świetlny ulega w atmosferze, w której z
różnych przyczyn, głównie zaś z powodu jej nierównomiernego nagrzania, współczynnik
załamania światła zmienia się w raz z wysokością.

Powietrze nagrzewa się

od powierzchni gleby, intensywnie
pochłaniającej energię
cieplną promieni słonecznych.
I dlatego temperatura powietrza
obniża się wraz z wysokością.
Wiadomo również, że wraz
z wysokością obniża się także
gęstość powietrza. Ustalono,
że w miarę wzrostu wysokości
współczynnik załamania
zmniejsza się, dlatego też
promienie przechodzące przez
atmosferę zakrzywiają się
nachylając się ku Ziemi.
Zjawisko to otrzymało nazwę
normalnej refrakcji atmosferycznej.

 

Obliczono, że refrakcja atmosferyczna "unosi" przedmioty, znajdujące się na

wysokości 30o- o 1'40" , na wysokości 15

o

- o 3'30" , na wysokości 5

o

- o 9'45" . Dla ciał

znajdujących się na linii horyzontu wielkość ta dochodzi do 35' . Wartości te ulegają
odchyleniom w jedną lub w drugą stronę w zależności od ciśnienia atmosferycznego i
temperatury powietrza. Jednakże czasem, z tych czy innych przyczyn, w górnych
warstwach atmosfery mogą pojawić się masy powietrza o temperaturze wyższej w
porównaniu z warstwami niższymi. Mogą je przywiać wiatry z ciepłych krajów, na przykład
z obszarów pustynnych. Jeśli w tym czasie w niższych warstwach znajduje się chłodne,
gęste powietrze antycyklonu, to zjawisko refrakcji może wzmocnić się znacznie i promienie
światła biegnące od przedmiotów znajdujących się na Ziemi w górę pod pewnym kątem do
linii horyzontu mogą z powrotem powrócić na Ziemię.  Powstawanie miraży dalekiego
zasięgu. 

Miraże można także obserwować w gorące dni wzdłuż ściany długiej na co najmniej 10

m, oświetlonej przez słońce.

Dolne warstwy powietrza, rozgrzane od gleby, nie zdążyły się jeszcze unieść w górę,

ich współczynnik załamania światła jest mniejszy niż warstw wyższych. Dlatego też
promienie światła wychodzące od przedmiotów  zakrzywiają się w powietrzu i trafiają do
oka z dołu. Podobnie dzieje się z promieniami biegnącymi od innych punktów przedmiotu.
W ten sposób obserwatorowi przedmiot wydaje się odwrócony. Skąd jednak bierze się
woda? Woda - to odbicie nieboskłonu. Żeby zobaczyć miraż nie trzeba wcale jechać do
Afryki. Można go zaobserwować również u nas w upalny, spokojny dzień lata nad rozpaloną
powierzchnią szosy asfaltowej. Powstanie miraży "jeziornych" (lub dolnych).

Miraże te trwają jakiś czas w powietrzu a potem znikają". Miraże dalekiego zasięgu
pojawiają się wówczas, gdy górne warstwy atmosfery okażą się z jakichś powodów, na
przykład przy trafieniu tam nagrzanego powietrza, szczególnie rozrzedzone. Wtedy
promienie wychodzące od przedmiotów znajdujących się na powierzchni Ziemi zakrzywiają
się silnie i docierają do powierzchni Ziemi pod dużym kątem do horyzontu. Oko
obserwatora rzutuje te promienie w tym kierunku, z którego wchodzą one do oka. Być
może przyczyną dużej ilości miraży dalekiego zasięgu, zaobserwowanych na wybrzeżu
Morza Śródziemnego jest bliskie sąsiedztwo Sahary... Masy gorącego powietrza unoszą się
nad Saharą, a następnie przesuwają się na północ i tworzą sprzyjające warunki dla
powstawania miraży. Miraże górne obserwuje się również w krajach północnych, gdy wieją
ciepłe wiatry południowe. Górne warstwy atmosfery ulegają nagrzaniu, a niskie -
ochładzają się z powodu topnienia dużych mas lodu i śniegu.  

Powstanie miraży

górnego.

Specjalnym rodzajem mirażu jest fatamorgana, po raz pierwszy zaobserwowana

nad Cieśniną Mesyńską, pomiędzy Półwyspem Apenińskim a Sycylią. Fatamorgana powoduje
powstanie pionowych ścian i budowli zakończonych iglicami.

Po włosku fata oznacza wróżkę.

Legendarna Morgana była przyrodnią

siostrą króla Artura i mieszkała w
kryształowym pałacu na dnie morza.
Używając magicznej mocy, potrafiła
wznosić zamki z cienkich warstw powietrza.

cdn.!