Najpiękniejsze zjawiska optyczne podlegają najprostszym prawom fizyki. Są efektem szczególnej natury promieniowania widzialnego oraz składu i właściwości atmosfery. Oko ludzkie dostrzega niewielką część fal wysyłanych przez Słońce. Pojawiają się one jako białe światło, choć w rzeczywistości są mieszaniną promieni o różnych długościach fal i odpowiadających im barw. Pył, cząsteczki lodu oraz krople wody rozkładają białe światło na poszczególne kolory. Przechodząc przez atmosferę ulega ono rozpraszaniu, odbijaniu i załamywaniu na cząsteczkach powietrza, przy czym każda z długości fal zachowuje się nieco inaczej.

Niebieska część widma, rozproszona najszybciej, tworzy błękit nieba. Kiedy jednak Słońce znajduje się nisko nad horyzontem, promienie mają do przebycia długą drogę przez przyziemne warstwy atmosfery. Tracą wtedy wszystkie fale o długości odpowiadającej niebieskiej barwie ( około 500 nm ). Na Ziemię dociera czerwone i żółte promieniowanie o dłuższych falach, tworząc piękne wschody i zachody Słońca.

TĘCZA

Tęczę obserwuje się na tle chmur deszczowych lub deszczu w kierunku przeciwnym do położenia Słońca. Różnokolorowy łuk znajduje się zazwyczaj w odległości 1 do 2 km od obserwatora. 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 tęczy głównej i linii dosłonecznej wynosi 42^o. Często obserwuje się drugą tęczę - wtórną, współśrodkową względem pierwszej tęczy - głównej, o promieniu kątowym 52^o.

Rysunek nr 1.

W tęczy rozróżnia się siedem barw podstawowych płynnie przechodzących jedna w drugą. Kształt łuku, jaskrawość barw, szerokość pasm zależą od ilości i rozmiaru kropel wody ( intensywności opadów ). Duże krople tworzą węższe tęcze z wyraźnie oddzielonymi barwami, małe - łuk rozmyty, wyblakły, a nawet biały.

Rysunek nr 2.

Promień padający na powierzchnię kropli w punkcie A ulega załamaniu. W punkcie B zachodzi częściowe załamanie i częściowe odbicie promienia. Po odbiciu w punkcie B promień AB trafia do punktu C, gdzie również zachodzi częściowe odbicie i załamanie światła. Załamany promień wychodzi z kropli, a odbity może przejść dalej do punktu D. Najbardziej intensywnym z promieni wychodzących na zewnątrz jest promień wychodzący w punkcie B. Trudno go jednak zaobserwować, ponieważ ginie on na tle jaskrawego nieba. Natomiast promienie załamane w punkcie C tworzą tęczę główną, w punkcie D - tęczę wtórną, która jest mniej intensywna niż główna.

Nasuwa się jednak pytanie, dlaczego widzimy tylko łuk, a nie całą ścianę kolorowych barw. Wynika to z tego, że 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.

Ponieważ białe światło jest mieszaniną światła o różnych barwach i współczynnik załamania światła jest różny dla światła o różnej barwie, tęcza jest różnokolorowa. Na przykład światło czerwone przechodzące z powietrza do wody załamuje się w mniejszym stopniu niż niebieskie i wychodzi pod innym kątem. Zauważmy, że w tęczy głównej kolor czerwony znajduje się po zewnętrznej stronie łuku, w tęczy wtórnej kolejność jest odwrotna.

HALO

Nazwą tą obejmujemy całą grupę skomplikowanych zjawisk optycznych zachodzących w atmosferze. Uwarunkowane one są załamaniem i odbiciem światła w kryształach lodu, z których zwykle składają się górne warstwy chmur. Do powstania halo potrzebne są kryształki lodu

ustawione w powietrzu pod wszystkimi możliwymi katami, aby dla każdej części halo istniały kryształki o takiej orientacji, że załamane przez nie światło dociera do oka obserwatora. Kryształki te muszą mieć kształt cienkich płytek lub sześciokątnych graniastosłupów prawidłowych. Światło przechodzące przez co drugą ścianę zostaje odchylone tak samo jakby przechodziło przez lodowy pryzmat.

Rysunek 3.

Jak wiemy kryształki lodu w powietrzu znajdują się w ciągłym ruchu oraz są rozmieszczone chaotycznie i promienie słoneczne nie zawsze będą padały na nie pod odpowiednim kątem ( kąt 60 stopni ), w taki sposób, że po załamaniu wyjdą pod kątem 22 stopni - kąt odchylenia promienia świetlnego w kryształku -, lub zbliżonym do niego. Promienie te sprawiają wrażenie, że pochodzą z wielu źródeł tworzących wokół Słońca lub innego ciała niebieskiego jaskrawy pierścień. Jeżeli natomiast światło będzie wychodzić pod innym kątem to jego natężenie będzie znacznie mniejsze, przez co także mniej widoczne i nie zaobserwujemy zjawiska halo.

Rysunek 4.

SŁUPY ŚWIETLNE

W bezwietrzny mroźmy poranek można czasami zobaczyć, jak nad Słońcem widać w powietrzu igły połyskujące w jego promieniach oraz słupy świetlne. Słupy świetlne bywają także 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 musi w powietrzu znajdować się obłok kryształków lodu , których ścianki znajdują się w poziomie. Wtedy promienie odbijają się od nich, jednak nie widać słupów. Aby były one widoczne, płytki muszą być lekko odchylone od linii horyzontu. Wtedy następuje załamanie promieni słonecznych. Oko rzutuje je na sklepienie niebieskie i obserwatorowi wydaje się, że pod lub nad słońcem 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.

Rysunek 5.

MIRAŻ PUSTYNNY

Rozważając zjawisko miraży, musimy rozważyć sposób załamywania się promienia świetlnego. Bowiem promień zawsze skręca w kierunku gęstszego powietrza, bądź środowiska. Gęstsze powietrze, jest to powietrze o wyższej temperaturze, cząsteczki jego poruszają się szybciej oraz jest ono gęstsze.

Potoczną nazwą tego zjawiska jest “fata-morgana” i kojarzy się najczęściej z widocznym na pustyni jeziorem otoczonym palmami. Jak zachodzi to zjawisko ?

Jak już wspomniałem 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. Opierając się na rysunku 6, zinterpretujemy sposób zachodzenia tego zjawiska.

Rysunek 6.

Przedstawione są promienie wychodzące z dwóch różnych punktów drzewa i dochodzące do oczu osoby obserwującej. Linie przerywane wskazują pozorną drogę dolnych promieni. Górne promienie dają bezpośredni obraz przedmiotu, natomiast dolne promienie dają obraz odwrócony oraz pozorny.

To załamanie promieni powoduje powstanie obrazu zwierciadlanego, który to może być zniekształcony.

Podobnie powstaje miraż obserwowany na rozgrzanej drodze. Wygląda to jak mokra plama, w której widzimy odbicie. Jest to efekt pozornych odbić dalekiego krajobrazu lub nieba.

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 (intensywne) lub plam (mniej intensywne) podobnych do obłoków.

Ziemia można nazwać olbrzymim magnesem. Linie pola magnetycznego Ziemi wychodzą z obszaru przylegającego do północnego bieguna, opasują kulę ziemską i wchodzą w obszarze południowego bieguna magnetycznego. Cząstka naładowana wpadając w pole magnetyczne Ziemi porusza się ruchem spiralnym wokół linii pola.

Zorza polarna powstaje na zasadzie żarówki jarzeniowej. Tam wzbudzone atomy gazów oddają otrzymaną energię w postaci światła. Podczas zjawiska zorzy polarnej protony i elektrony wpadające w obręb pola magnetycznego Ziemi z wiatru słonecznego (spowodowanego wybuchami na Słońcu) powodują jonizację i wzbudzenie atomów i cząsteczek gazów znajdujących się w atmosferze. Zjawisko to ma najczęściej miejsce w pobliżu biegunów ziemskich, ponieważ tam jest największa koncentracja protonów i elektronów (w obszarach polarnych indukcja pola magnetycznego jest większa niż w pozostałych).

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.

---