Szósta klasa uczy się w szkole tematu „Zjawiska optyczne w atmosferze”. Jednak interesuje go nie tylko dociekliwy umysł dziecka. Zjawiska optyczne w atmosferze z jednej strony łączą tęczę, czyli zmianę koloru nieba podczas wschodów i zachodów słońca, widzianych niejednokrotnie przez wszystkich. Z drugiej strony są to tajemnicze miraże, fałszywe Księżyce i Słońca, imponujące aureole, które w przeszłości przerażały ludzi. Mechanizm powstawania niektórych z nich do dziś pozostaje niejasny, jednak ogólna zasada, według której zjawiska optyczne „żyją” w przyrodzie, została dobrze zbadana przez współczesną fizykę.
Pocisk powietrzny
Ziemska atmosfera to skorupa składająca się z mieszaniny gazów i rozciągająca się na około 100 km nad poziomem morza. Gęstość warstwy powietrza zmienia się wraz z odległością od ziemi: jej największa wartość występuje na powierzchni planety, maleje wraz z wysokością. Atmosfera nie może być nazwana formacją statyczną. Warstwy gazowej otoczkiciągle się porusza i miesza. Zmieniają się ich cechy: temperatura, gęstość, szybkość ruchu, przezroczystość. Wszystkie te niuanse wpływają na promienie słoneczne pędzące na powierzchnię planety.
System optyczny
Procesy zachodzące w atmosferze oraz jej skład przyczyniają się do pochłaniania, załamywania i odbijania promieni świetlnych. Niektóre z nich docierają do celu - powierzchni ziemi, inne zostają rozproszone lub przekierowane z powrotem w kosmos. W wyniku krzywizny i odbicia światła, rozpadu części promieni na widmo itd. w atmosferze powstają różne zjawiska optyczne.
Optyka atmosferyczna
W czasach, gdy nauka była w powijakach, ludzie wyjaśniali zjawiska optyczne w oparciu o dominujące idee dotyczące struktury Wszechświata. Tęcza łączyła świat ludzki z boskim, pojawienie się na niebie dwóch fałszywych Słońc świadczyło o zbliżających się katastrofach. Dzisiaj większość zjawisk, które przerażały naszych odległych przodków, uzyskało naukowe wyjaśnienie. Optyka atmosferyczna zajmuje się badaniem takich zjawisk. Nauka ta opisuje zjawiska optyczne w atmosferze w oparciu o prawa fizyki. Potrafi wyjaśnić, dlaczego niebo jest niebieskie w ciągu dnia, ale zmienia kolor o zachodzie i świcie, jak powstaje tęcza i skąd biorą się miraże. Liczne badania i eksperymenty pozwalają dziś zrozumieć takie zjawiska optyczne w przyrodzie, jak pojawienie się świetlistych krzyży, Fata Morgana, tęczowe halo.
Błękitne niebo
Kolor niebatak znajomy, że rzadko zastanawiamy się, dlaczego tak jest. Niemniej fizycy dobrze znają odpowiedź. Newton udowodnił, że w pewnych warunkach wiązka światła może zostać rozłożona na widmo. Podczas przechodzenia przez atmosferę część odpowiadająca kolorowi niebieskiemu jest lepiej rozpraszana. Czerwony odcinek promieniowania widzialnego charakteryzuje się większą długością fali i jest 16 razy gorszy od fioletu pod względem stopnia rozproszenia.
W tym samym czasie widzimy niebo nie fioletowe, ale niebieskie. Powodem tego są osobliwości budowy siatkówki i stosunek części widma w świetle słonecznym. Nasze oczy są bardziej wrażliwe na kolor niebieski, a fioletowa część widma słonecznego jest mniej intensywna niż niebieska.
Szkarłatny zachód słońca
Kiedy ludzie zorientowali się, jaka jest atmosfera, zjawiska optyczne przestały być dla nich dowodem lub zapowiedzią strasznych wydarzeń. Jednak naukowe podejście nie przeszkadza w estetycznej przyjemności płynącej z kolorowych zachodów i łagodnych wschodów słońca. Jasne czerwienie i pomarańcze wraz z różami i błękitami stopniowo ustępują miejsca nocnej ciemności lub porannemu światłu. Nie da się zaobserwować dwóch identycznych wschodów lub zachodów słońca. Powodem tego jest ta sama ruchliwość warstw atmosferycznych i zmieniające się warunki pogodowe.
Podczas zachodów i wschodów słońca promienie słoneczne wędrują na powierzchnię dłuższą drogą niż w ciągu dnia. W efekcie rozproszone fiolety, niebieskie i zielone rozchodzą się na boki, a światło bezpośrednie zmienia się na czerwone i pomarańczowe. Chmury, kurz czy drobinki lodu tworzą obraz zachodu i świtu,zawieszony w powietrzu. Przechodzące przez nie światło jest załamywane i zabarwia niebo na różne odcienie. Na przeciwległej do Słońca części horyzontu często można zaobserwować tzw. Pas Wenus - różowy pas oddzielający ciemne nocne niebo od niebieskiego dziennego nieba. Piękne zjawisko optyczne, nazwane na cześć rzymskiej bogini miłości, widoczne jest przed świtem i po zachodzie słońca.
Tęczowy Most
Być może żadne inne zjawisko świetlne w atmosferze nie wywołuje tylu mitologicznych wątków i baśniowych obrazów, jak te związane z tęczą. Łuk lub okrąg składający się z siedmiu kolorów jest znany każdemu od dzieciństwa. Piękne zjawisko atmosferyczne, które występuje podczas deszczu, kiedy promienie słoneczne przechodzą przez krople, fascynuje nawet tych, którzy dokładnie przestudiowali jego naturę.
A dzisiejsza fizyka tęczy nie jest dla nikogo tajemnicą. Światło słoneczne, załamane przez krople deszczu lub mgły, pęka. W rezultacie obserwator widzi siedem kolorów widma, od czerwonego do fioletowego. Nie da się określić granic między nimi. Kolory płynnie łączą się ze sobą w kilku odcieniach.
Podczas obserwacji tęczy słońce zawsze jest za osobą. Środek uśmiechu Iridy (jak starożytni Grecy nazywali tęczą) znajduje się na linii przechodzącej przez obserwatora i światło dzienne. Tęcza zwykle pojawia się jako półkole. Jego wielkość i kształt zależą od położenia Słońca i punktu, w którym znajduje się obserwator. Im wyżej oprawa nad horyzontem, tym niżej opada krąg możliwego wyglądu.tęcze. Kiedy Słońce przechodzi 42º nad horyzontem, obserwator na powierzchni Ziemi nie widzi tęczy. Im wyżej nad poziomem morza jest osoba, która chce podziwiać uśmiech Iridy, tym większe prawdopodobieństwo, że zobaczy nie łuk, ale okrąg.
Podwójna, wąska i szeroka tęcza
Często obok głównej tęczy można zobaczyć tak zwaną tęczę wtórną. Jeżeli pierwszy powstaje w wyniku pojedynczego odbicia światła, to drugi jest wynikiem podwójnego odbicia. Ponadto tęczę główną wyróżnia pewna kolejność kolorów: czerwień znajduje się na zewnątrz, a fiolet w środku, który jest bliżej powierzchni Ziemi. Boczny „most” to widmo odwrócone w kolejności: fiolet jest na górze. Dzieje się tak, ponieważ promienie kropli deszczu odbijają się od podwójnego odbicia pod różnymi kątami.
Tęcze różnią się intensywnością koloru i szerokością. Najjaśniejsze i raczej wąskie pojawiają się po letniej burzy. Charakterystyczne dla takiego deszczu duże krople dają bardzo widoczną tęczę o wyrazistych kolorach. Małe kropelki dają bardziej rozmytą i mniej zauważalną tęczę.
Zjawiska optyczne w atmosferze: zorza polarna
Jednym z najpiękniejszych optycznych zjawisk atmosferycznych jest zorza polarna. Jest charakterystyczny dla wszystkich planet z magnetosferą. Na Ziemi zorze polarne obserwowane są na dużych szerokościach geograficznych na obu półkulach, w strefach otaczającychbieguny magnetyczne planety. Najczęściej widać zielonkawą lub niebiesko-zieloną poświatę, czasem uzupełnioną błyskami czerwieni i różu wzdłuż krawędzi. Intensywna zorza polarna ma kształt wstęg lub fałd materiału, które podczas blaknięcia zmieniają się w plamy. Pasy o wysokości kilkuset kilometrów dobrze wyróżniają się wzdłuż dolnej krawędzi na tle ciemnego nieba. Górna granica zorzy ginie na niebie.
Te piękne zjawiska optyczne w atmosferze wciąż mają przed ludźmi swoje tajemnice: mechanizm powstawania pewnych rodzajów luminescencji, przyczyna trzasków podczas ostrych błysków, nie został do końca zbadany. Jednak ogólny obraz powstawania zórz polarnych jest dziś znany. Niebo nad biegunami północnym i południowym zdobi zielonkawo-różowa poświata, gdy naładowane cząstki wiatru słonecznego zderzają się z atomami w górnej atmosferze Ziemi. Te ostatnie w wyniku oddziaływania otrzymują dodatkową energię i emitują ją w postaci światła.
Aureola
Słońce i księżyc często pojawiają się przed nami otoczone blaskiem przypominającym aureolę. To halo to bardzo widoczny pierścień wokół źródła światła. W atmosferze najczęściej powstaje z powodu najmniejszych cząsteczek lodu, które tworzą chmury cirrus wysoko nad Ziemią. W zależności od kształtu i wielkości kryształów zmienia się charakterystyka zjawiska. Często halo przybiera formę tęczowego koła w wyniku rozkładu wiązki światła na widmo.
Ciekawą odmianą tego zjawiska jest parhelion. W wyniku załamania światła w kryształkach lodu naNa poziomie Słońca tworzą się dwie jasne plamy, przypominające światło dzienne. W kronikach historycznych można znaleźć opisy tego zjawiska. W przeszłości był często uważany za zwiastun strasznych wydarzeń.
Miraż
Miraże to także zjawiska optyczne w atmosferze. Powstają w wyniku załamania światła na granicy między warstwami powietrza, które różnią się znacznie gęstością. W literaturze opisano wiele przypadków, gdy podróżnik na pustyni widział oazy, a nawet miasta i zamki, które nie mogły być w pobliżu. Najczęściej są to „niższe” miraże. Powstają na płaskiej powierzchni (pustynia, asf alt) i przedstawiają odbity obraz nieba, który obserwatorowi wydaje się być zbiornikiem wodnym.
Tak zwane lepsze miraże są mniej powszechne. Tworzą się na zimnych powierzchniach. Doskonałe miraże są proste i odwrócone, czasami łączą obie pozycje. Najbardziej znanym przedstawicielem tych zjawisk optycznych jest Fata Morgana. To złożony miraż, który łączy kilka rodzajów odbić jednocześnie. Rzeczywiste obiekty pojawiają się przed obserwatorem, wielokrotnie odbijane i mieszane.
Elektryczność atmosferyczna
Zjawiska elektryczne i optyczne w atmosferze są często wymieniane razem, chociaż przyczyny ich występowania są różne. Polaryzacja chmur i powstawanie wyładowań atmosferycznych związane są z procesami zachodzącymi w troposferze i jonosferze. Gigantyczne wyładowania iskrowe powstają zwykle podczas burzy. Błyskawica pojawia się wewnątrz chmur i może uderzyć w ziemię. Zagrażają życiuludzi i to jest jeden z powodów naukowego zainteresowania takimi zjawiskami. Niektóre właściwości piorunów wciąż pozostają dla badaczy tajemnicą. Dziś przyczyna piorunów kulowych jest nieznana. Podobnie jak w przypadku niektórych aspektów teorii zorzy polarnej i mirażu, zjawiska elektryczne nadal intrygują naukowców.
Zjawiska optyczne w atmosferze, krótko opisane w artykule, z każdym dniem stają się coraz bardziej zrozumiałe dla fizyków. Jednocześnie, jak błyskawica, nigdy nie przestają zadziwiać ludzi swoim pięknem, tajemniczością, a czasem wspaniałością.
