Fizyka

Zjawiska optyczne w atmosferze

start

Obserwacje zjawisk optycznych w przyrodzie nie wymagają specjalistycznego sprzętu. Wystarczy rozejrzeć się wokół: błękit nieba, biel chmur, kolor zachodzącego słońca lub tęcza po deszczu. Znajomość praw fizyki pozwala zrozumieć i wyjaśnić wszystkie te zjawiska optyczne. Przyjrzyjmy się im bliżej.

1. Kolor nieba, słońca i chmur

2. Tęcza i halo

3. Miraż

4. Refrakcja astronomiczna

Kolor nieba, słońca i chmur

Jeśli w ciągu dnia patrzymy w niebo, do naszych oczu dociera światło słoneczne rozproszone na cząsteczkach powietrza. Cząsteczki są dużo mniejsze od długości fal światła, dlatego najbardziej rozpraszają fale najkrótsze, odpowiadające barwom fioletowej i niebieskiej. Nasze oczy są niezbyt czułe na fiolet, dlatego właśnie widzimy niebieskie niebo.

Dalej

Rozproszenie światła w atmosferze wpływa również na widzialny kolor tarczy słonecznej. Im dłuższą drogę w powietrzu przemierzają promienie słoneczne, tym mniej w nich koloru niebieskiego i zielonego, bo coraz więcej cząsteczek rozprasza fale krótsze. W miarę obniżanie się słońca nad horyzontem wydłuża się droga promieni w powietrzu, zanim dotrą do naszych oczu. Dlatego właśnie tarcza zachodzącego słońca jest pomarańczowoczerwona, mimo że w ciągu dnia jest żółta, a w letnie popołudnie biała (uwaga, nie wolno patrzeć prosto na nią!). Chmury składają się z kropelek wody lub kryształków lodu większych od długości fal światła, dlatego wszystkie fale świetlne (czyli wszystkie barwy) są na nich rozpraszane jednakowo. Z tego właśnie powodu chmury mają taki kolor jak docierające do nich światło.

Doświadczenie do zrobienia w domu

Powrót do listy tematów

DOŚWIADCZENIE

Do szklanki wody wprowadź kilka kropel mleka i wymieszaj. Zaobserwuj, czy roztwór jest biały, czy lekko niebieskawy. Popatrz teraz przez roztwór na świecącą żarówkę (najlepiej tradycyjną z żarnikiem). Jaki jest kolor żarnika? Wyjaśnij obserwowane efekty.

Powrót

Tęcza i halo

Tęcza jest zjawiskiem powszechnie znanym. Stosunkowo mniej znane jest halo, zjawisko powstające dość często, podobnie do tęczy, lecz zauważane przez znacznie mniejszą liczbę osób. Halo to kolorowy krąg widniejący wokół tarczy Słońca lub Księżyca, gdy niebo zasnute jest cienkimi wysokimi chmurami.

Dalej

Oba wspomniane zjawiska powstają w wyniku załamania i rozszczepienie światła słonecznego. W przypadku tęczy załamanie światła następuje na kroplach wody, natomiast halo powstaje na kryształkach lodu, z których zbudowane są chmury wysokie. Przyjrzyjmy się bliżej powstaniu tęczy. Aby ją zobaczyć, obserwator powinien znajdować się między słońcem a kroplami wody, pochodzącym np. z deszczu. Światło słoneczne pada na krople wody, częściowo odbija się od ich powierzchni, a częściowo załamuje. W powstaniu tęczy biorą udział te promienie światła, które wpadły do kropli deszczu, częściowo odbiły się od wewnętrznej powierzchni kropli i wróciły w stronę obserwatora.

Filmik

Dalej

Okazuje się, że światło nie opuszcza kropli równomiernie we wszystkich kierunkach. Najwięcej światła wybiega z niej pod kątem 42° do pierwotnego kierunku promienia. Z tego powodu pod takim właśnie kątem do padających promieni słonecznych widzimy pojaśnienie w kształcie kolorowego półokręgu. Ten kąt wynika z wartości współczynnika załamania światła dla wody. Ponieważ współczynnik załamania światła dla różnych barw jest nieco inny, światło rozszczepia się na różne kolory. Światło czerwone opuszcza krople pod większym kątem w stosunku do poziomu niż fioletowe. Z tego powodu górna część tęczy ma kolor czerwony, a dolna fioletowy. Nie zobaczymy tęczy na jednej kropli wody. Tysiące kropel to tysiące kolorowych punkcików tworzących tęczę. I w dodatku każdy z nas widzi swoją tęczę, której środek wyznacza linia słońca i obserwatora.

Powrót do listy tematów

Miraż

W powietrzu światło nie zawsze biegnie po liniach prostych. Jego prędkość może być nieznacznie inna w warstwach powietrza o różnej gęstości. Wobec tego, gdy światło przechodzi do warstwy o innej gęstości, nieznacznie się załamuje. Po przebyciu dużych odległości odstępstwo od prostoliniowego biegu staje się na tyle znaczące, że obiekty będące daleko widzimy jako zniekształcone lub odwrócone.

Temperatura powietrza w atmosferze zwykle maleje wraz z wysokością. Czasami jednak zdarza się, że warstwa chłodnego powietrza zalega między warstwami cieplejszymi. Może ona wówczas pełnić funkcję światłowodu przenoszącego obraz obiektów na Ziemi na dziesiątki, a nawet setki kilometrów. Dzięki temu można czasami zobaczyć obiektu bardzo odległe, leżace głęboko pod horyzontem.

Dalej

Spójrzmy na odwrócony obraz pojazdów. Takie obrazy powstają wówczas, gdy podłoże jest rozgrzane i tuż nad nim zalega warstwa powietrza. W dolnej warstwie (cieplnej) prędkość światła jest większa niż w górnej (chłodniejszej), a zatem większa jest również długość fali światła. Wobec tego podczas przejścia światła z jednej warstwy do drugiej zmienia kształt powierzchni falowych, a zatem kierunek biegu światła. Światło jakby odbija się od granicy gorącego i chłodniejszego powietrza. Powstaje wówczas obraz podobnie jak w zwierciadle płaskim. Takie pozorne obrazy powstające wskutek załamania światła w różnych warstwach powietrza nazywamy mirażami. Najczęściej

widywany miraż to po prostu obraz nieba jak po odbiciu od powierzchni wody.

Powrót do listy tematów

Refrakcja astronomiczna

Prędkość światła w powietrzu jest nieznacznie mniejsze niż w próżni i maleje w miarę wzrostu gęstości powietrza. Wobec tego światło biegnące ze Słońca i innych ciał niebieskich załamuje się podczas wchodzenia w coraz gęstsze warstwy atmosfery Ziemi. To zjawisko nazywamy refrakcją astronomiczną. Refrakcja powoduje m.in., że w pobliżu horyzontu ciała niebieskie widoczne są wyżej niż w rzeczywistości.

Pozorny i rzeczywisty bieg promienia światła w atmosferze

Dalej

Największa refrakcja astronomiczna zachodzi dla ciał niebieskich widzianych nisko nad horyzontem, ale i tak jest ona nieduża. Na przykład w Polsce promień załamany docierający do naszych oczu tworzy z promieniem padającym na granicę atmosfery kąt mniejszy niż 1°. Powoduje to jednak, że słońce wschodzi 7 minut wcześniej i zachodzi 7 minut później w stosunku do sytuacji, gdyby atmosfery nie było. Skutki refrakcji atmosferycznej można zaobserwować samodzielnie. O wschodzie lub zachodzie tarcza Słońca, lub Księżyca często staje się owalna. Wskutek refrakcji pozorne przesunięcie dolnej części tarczy jest większe niż górnej i dlatego wydaje się ona spłaszczona. Promienie świetlne są również odchylane przez drobne niejednorodności powietrza. Skutkiem tego jest falowanie obrazu oglądanego na przykład poprzez rozgrzane powietrze nad ogniskiem, a także migotanie gwiazd.

Powrót do listy tematów

Zdjęcia

Powrót