Fizyka zjawisk optycznych w atmosferze dr Krzysztof M. Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl Festiwal Nauki 2005

Zjawiska optyczne w atmosferze powstają ze względu na rozproszenia, odbicia, załamania lub rozszczepienia światła na kroplach i kryształkach lodu ponadto poprzez zakrzywienia drogi światła przy przejściu przez warstwy powietrza o różnej gęstości. 12/30/2018 Instytut Geofizyki UW

Podstawowe zjawiska optyczne: rozproszenie: niebieski kolor nieba odbicie, załamanie, rozszczepienie: tęcza halo zakrzywienie miraż fatamorgana 12/30/2018 Instytut Geofizyki UW

światło Światłem nazywamy spektralną cześć promieniowania elektromagnetycznego z zakresu 0.4 – 0.7 m. Światło białe składa się z promieniowania o rożnych długościach fali (np. Słonce, żarówka). Światło laserowe – promieniowanie z bardzo wąskiego zakresu spektralnego dlatego światło to ma określony kolor (np. laser He-Ne lub dioda luminescencyjna LED) 12/30/2018 Instytut Geofizyki UW

Czułość ludzkiego oka na rożnych długości fali. 12/30/2018 Instytut Geofizyki UW

Dlaczego widzimy kolory, np. dlaczego liście są zielone ? Padające na liście białe światło zostaje od niego selektywnie odbite w ten sposób że dociera do nas tylko światło zielone. Światło niebieskie i czerwone jest pochłaniane przez chlorofil zawarty w ich wnętrzu. Jaki kolor będą miały liście oświetlone w nocy np. czerwonym światłem lasera? 12/30/2018 Instytut Geofizyki UW

Podstawowe zjawiska fizyczne związane z promieniowaniem 12/30/2018 Instytut Geofizyki UW

Podstawy fizyczne rozpraszania światła w atmosferze. rozpraszania światła – zjawisko fizyczne polegające na zmianie kierunku propagacji światła. Rozpraszanie w atmosferze ma miejsce na molekułach powietrza, kroplach wody czy kryształkach lodu w chmurach, oraz na drobnych cząsteczkach zanieczyszczeń (aerozolach). Przy braku rozpraszania niebo powinno być czarne wszędzie poza tarcza słoneczną. Tak jak ma to miejsce w górnych warstwach atmosfery. 12/30/2018 Instytut Geofizyki UW

W zależności od rozmiarów cząstek mamy dwa typy rozpraszania: Rozpraszanie Rayleigh’a – na cząstkach małych (w porównaniu z długością fali) Rozpraszanie MIE – na cząstkach dużych (w porównaniu z długością fali) Własności fizyczne obu typów rozpraszania są zasadniczo inne. Rozpraszanie na cząstkach małych jest najsilniejsze dla fal najkrótszych (kolor niebieski) W przypadku rozpraszania na dużych cząstkach fale krótkie i długie rozpraszane są podobnie. Gdy w atmosferze brak dużych cząstek to kolor nieba jest niebieski gdyż promieniowanie, które dociera do nas od strony nieba jest rozpraszane na małych cząstkach. Zmiany koloru nieba – symulacje numeryczne 12/30/2018 Instytut Geofizyki UW

Jak powstaje tęcza? Rozszczepienie światła 12/30/2018 Instytut Geofizyki UW

Dlaczego kolor Słońca i nieba podczas zachodu jest pomarańczowy? Światło blisko horyzontu pokonuje znacznie dłuższą drogę w atmosferze niż gdy Słonce jest w zenicie. Podczas zachodu Słońca droga ta jest około 37 razy większa!! Intensywnie rozpraszane światło niebieskie jest pochłaniane w atmosferze i pozostają tylko fale dłuższe dające pomarańczowe czy czerwone zabarwienie. Podobnie ma się rzecz z kolorem samej tarczy słonecznej. 12/30/2018 Instytut Geofizyki UW

Powstawanie tęczy 12/30/2018 Instytut Geofizyki UW

Symulacje zjawisk optycznych-Techniki Monte-Carlo 12/30/2018 Instytut Geofizyki UW

Środek tęczy znajduje się w punkcie przeciwsłonecznym 12/30/2018 Instytut Geofizyki UW

Refrakcja atmosferyczna Refrakcja czyli zakrzywienie światła w w niejednorodnym ośrodku (zmieniającej się gęstości) np. w atmosferze. Zjawisko to jest największe gdy widziane przez nas Słonce znajduje się na horyzoncie. Wówczas jest ono faktycznie około 0.5 stopnia pod horyzontem. Zjawiska związane z refrakcja atmosferyczna: Rozwarstwione Słońce Zielony błysk Miraż 12/30/2018 Instytut Geofizyki UW

Refrakcja- Zasada Fermata Zasada najkrótszego czasu. Przykład Mamy dwa obszary jeden z głębokim a drugi z ubitym śniegiem. Idziemy po skosie. Jaka droga wybrać aby dojść w najkrótszym czasie ? B C V=2m/s V=0.5m/s A 12/30/2018 Instytut Geofizyki UW

Zachód Słońca Rzeczywisty obraz Słońca często nie stanowi gładkiej elipsoidy. Ma to miejsce gdy w powietrzu występują warstwy o różnej gęstości (zróżnicowanej temperaturze). Różnice gęstości sprawiają, że i stopień refrakcji jest różny co wywołuje wrażenie że dysk słoneczny ma zróżnicowana szerokość na rożnej wysokości. Zjawisko to nazywamy rozwarstwieniem i powstaje w takich warunkach jak miraż. W powietrzu o silnym zmętnieniu ostatni segment Słońca znajduje się w pewnej wysokości nad horyzontem. Rano zjawisko to jest przeważnie słabsze we względu na mniejsze zmętnienie atmosfery. 12/30/2018 Instytut Geofizyki UW

Zielony promień / zielony błysk Obserwowany przy wyjątkowo czystym powietrzu ostatni skraj Słońca jako jaskrawy błysk zielonego światła. Istnieje wiele hipotez próbujących wyjaśnić to zjawisko. Jedna z nich mówi, iż nasze oko jest najbardziej czułe na barwę zieloną i ostatni skraj Słońca właśnie taki nam wydaje się być. Inna natomiast wydająca się bardziej prawdopodobna mówi, iż barwy zachodzącego Słońca zmieniają się od czerwieni przy samym horyzoncie przez pomarańcz i żółty. W dalszej kolejności widma światła jest właśnie kolor zielony. Ponadto Słonce emituje najwięcej światła właśnie w tym obszarze spektralnym. Taka zmiana wynika ze zmieniającej się grubości atmosfery i pochłaniania promieniowania krótszego najbliżej horyzontu. 12/30/2018 Instytut Geofizyki UW

Miraże Zjawisko związane jest z ugięciem światła w atmosferze. Chociaż ugniecie występuje w atmosferze zawsze to w mirażach wywołuje ono zniekształcenie obrazu Pojawia się przy dużym pionowym gradiencie temperatury (nad silnie rozgrzana powierzchnia ziemi). Gęstości powietrza spada w wysokością jednak nad gorącą powierzchnią może lokalnie rosnąc z wysokością. Światło biegnąc po linii prostej odchyla się w stronę gęstszego powietrza a wiec do góry a nie standardowo w kierunku ziemi. Wyróżniamy: miraż dolny (obiekty wydają się niżej) miraż górny (obiekty wydają się wyżej) 12/30/2018 Instytut Geofizyki UW

Gdy na rozgrzanym asfalcie widzimy kałuże wody mamy do czynienia z mirażem dolnym a „woda” jest obrazem nieba. Promienie słoneczne padając od góry zostają załamane w górę. Ten typ mirażu daje odwrócone obrazy obiektów przy silnym ich zniekształceniu 12/30/2018 Instytut Geofizyki UW

Miraż górny występuje gdy nad danym obszarem występuje wyżej cieplejsze powietrze niż przy ziemi (inwersja). Wówczas promienie odchylają się ku dołowi i mogą ukazywać odwrócony obraz odległego obiektu. Występuje rzadziej niż miraż dolny ale można się z nim zetknąć na morzu gdy jest ono chłodniejsze od powietrza. Mogą one dawać obrazy zwielokrotnione zarówno proste jak i obrócone. Przykładem tego zjawiska jest fatamorgana gdy odlegle obiekty wydają się nienaturalnie wydłużone i sprawiają wrażenie wysokich budowli. 12/30/2018 Instytut Geofizyki UW

Zjawiska związane z dyfrakcja światła Dyfrakcja - ugięcie fali powstałe przy napotkaniu przeszkody na jej drodze. Zjawisko to jest tym bardziej widoczne im bardziej średnica przeszkody jest zbliżona do długości fali. W wyniku ugięcia i nakładania się fal powstają obrazy dyfrakcyjne. W atmosferze przeszkodami na drodze światła są najczęściej kropelki wody i kryształki lodu. sin=d/ Zjawiska związane z dyfrakcją: Iryzacja Wieniec 12/30/2018 Instytut Geofizyki UW

Iryzacja – najczęściej spotykane zjawisko optyczne w atmosferze Występuje w postaci barwnych pasm na obrzeżach cienkich chmur tj. altocumulus, altostratus i cirrocumulus. Widoczna najwyraźniej 30-35 stopni od Słońca i ponieważ występuje po tej samej stronie co Słońce często zostaje niezauważona. Występuje również w obecności Księżyca Pasmo danego koloru wskazuje, w którym miejscu chmury kropelki lub kryształki mają podobne rozmiary. Słabsze kolory występują gdy w chmurach cząstki mają rożne rozmiary. 12/30/2018 Instytut Geofizyki UW

Przykłady iryzacji 12/30/2018 Instytut Geofizyki UW

Wieniec Zjawisko optyczne otaczające tarcze Słońca lub Księżyca występujące w chmurach altocumulus i altostratus Wieniec składa się z wewnętrznej aureoli oraz jednego lub więcej barwnych pierścieni. Powstaje przez uginanie się promieni na kropelkach wody bez wnikania do ich wnętrza. Barwy powstają wskutek interferencji, gdyż światło dociera do obserwatora biegnąc różnymi drogami o odmiennej odległości. Barwy i ich czystość zależy od wielkości i jednorodności kropelek w chmurze. Jednakowe krople tworzą najczystsze barwy. Wnętrze wieńca jest niebiesko-białym kręgiem światła o brązowo-czerwonych obrzeżach. Jeśli chmura zawiera krople o różnych wielkości aureola jest jedyna widzialna częścią wieńca. Gdy krople są jednakowe widać jeden lub więcej pierścieni z kolorem fioletowym w środku i czerwonym na zewnątrz. Im mniejsze krople tym dłuższy promień pierścienia. 12/30/2018 Instytut Geofizyki UW

Wieniec cd. Wskutek rożnego rozmieszczenia kropelek w chmurze wieniec może mieć nieregularny zarys. Jeśli przesuwająca się na tle Słońca lub Księżyca chmura nie zmienia wieńca można przyjąć iż kropelki maja jednakowa wielkość i są równomiernie rozłożone. Wyjątkowo rzadko pojawia się wieniec przy braku chmur. Zjawisko ma ten sam charakter ale dyfrakcja światła występuje na drobinach zanieczyszczeń powodując aureole otoczona bladym okręgiem 12/30/2018 Instytut Geofizyki UW

Zjawiska optyczne w górnej atmosferze Zorze polarne (aurora borealis - zorza północna, aurora australis -zorza południowa) Obłoki stratosferyczne Obłoki mezosferyczne 12/30/2018 Instytut Geofizyki UW

Powstają na wysokości około 100 km Zorze polarne Powstają na wysokości około 100 km Cząstki wiatru słonecznego (protony elektrony) poruszają się w polu magnetycznym Ziemi zderzają się z atomami i cząsteczkami powietrza. Prowadzi to wzbudzania cząsteczek powietrza, które wracając do stanu podstawowego emitują światło zielone i różowe (tlen) i czerwone i niebieskie (azot) Widoczne najczęściej w rejonach polarnych szczególnie podczas dużej aktywności Słońca. Widoczne najczęściej po zmroku i mogą mieć odmiany: Pulsacji migotania i płomienistości Trwają od 10 minut do kilku godzin 12/30/2018 Instytut Geofizyki UW

12/30/2018 Instytut Geofizyki UW

Obłoki stratosferyczne Obserwowane po wyżej 50 stopnia szerokości geograficznej kolorowe chmury widoczne tuz po zachodzie lub tuz przed wschodem Słońca. Ich kolory związane sa z iryzacja czyli dyfrakcja (ugięciem) światła na cząstkach chmur. Często przybierają perłowe kolory i przypominają chmury rodzaju cirrocumulus lenticularis (soczewkowe). Światło ugina się na bardzo małych kryształkach lodu i świadczy o znacznej dynamice w ruchach pionowych. Druga odmiana tego zjawiska to chmury święcące bielą, gdyż zawierają znacznie większe kryształy i świadczą o powolnym ochładzaniu stratosfery (np. jesienią). Obłoki stratosferyczne 12/30/2018 Instytut Geofizyki UW

są to nocne obłoki święcące na wysokości 80-85 km widoczne tylko do 60 stopnia szerokości geograficznej. widoczne jako oświetlone przez Słonce chmury podczas gdy powierzchnia ziemi spowita jest już w ciemności. przypominają chmury cirrus lub cirrostratus i przybierają niebiesko-białą barwę i im bliżej wschodu lub zachodu Słońca tym maja bardziej żółtawe zabarwienie. Badanie ich przesuwania dostarcza informacji o cyrkulacji powietrza w wyższych warstwach atmosfery. chmury składają się z kryształków lodu ale niepewności budzi pochodzenie jąder kondensacji. Jednym z możliwych źródeł są meteoryty. Obłoki mezosferyczne 12/30/2018 Instytut Geofizyki UW

Zjawiska związane z kryształami lodu Łuk zenitalny Górny łuk styczny Mały pierścień halo 22 Koło horyzontalne parheliczne Słońca poboczne Dolny łuk styczny Pojawiają się wokół Słońca lub Księżyca w przeciwieństwie do tęczy, która występuje wokół punktu przeciwsłonecznego 12/30/2018 Instytut Geofizyki UW

12/30/2018 Instytut Geofizyki UW

Halo 22o Powstaje w wyniku załamania światła ma heksagonalnych kryształach ustawionych chaotycznie w atmosferze. Światło przechodzi przez co drugą ścianą kryształu. W atmosferze jednak rzadko kryształy ustawione są we wszystkich możliwych kierunkach dlatego rzadko obserwujemy pełne Halo. Halo występuje zarówno wokół Słońca jak Księżyca jednak częściej w ostatnim przypadku gdyż w ciągu dnia blask Słońca uniemożliwia niejednokrotnie obserwacje Halo 12/30/2018 Instytut Geofizyki UW

Powstawanie Halo 22o Kąt najmniejszego odchylenia w pryzmacie W przypadku Halo 22 kat łamiący pryzmatu  wynosi 60o. 12/30/2018 Instytut Geofizyki UW

Słońca poboczne Jaśniejsze punkty na 22 stopniowym halo wywołane załamaniem światła na kryształach opadających płaską powierzchnia horyzontalnie. Punkty są jaśniejsze bo kryształów tak zorientowanych jest najwięcej w powietrzu. 12/30/2018 Instytut Geofizyki UW

Koło horyzontalne parheliczne Powstaje tak samo jak słońca poboczne wskutek odbicia od kryształów płytkowych zawieszonych poziomo w atmosferze. 12/30/2018 Instytut Geofizyki UW

Górny i dolny łuk styczny Powstają one na kryształach „ołówkowych” ustawionych dłuższą osią w płaszczyźnie horyzontalnej. Takie ustawienie jest charakterystyczne dla mało stabilnej warstwy powietrza gdy kryształy swobodnie opadają 12/30/2018 Instytut Geofizyki UW

Słupy pionowe Powstaje w skutek odbicia od kryształów płytkowych 12/30/2018 Instytut Geofizyki UW

Halo 46o Widywane jest bardzo rzadko ze względu na mała intensywność Powstaje gdy światło przechodzi przez podstawę wychodzi jednym z boków kryształu nachylonym pod kątem 90o do podstawy. 12/30/2018 Instytut Geofizyki UW

Zjawiska towarzyszące Halo 46o Łuk horyzontalny Widoczny jedynie gdy wysokość Słońca przekracza 58o gdyż jest po niżej dużego pierścienia Halo 46. Powstaje tak samo jak łuk zenitalny Łuk zenitalny Pojawia się gdy słońce jest na wysokości około 5-30o Jest częścią koła którego środek znajduje się w zenicie. Powstaje na tych samych kryształach co Halo 46 Oba łuki maja najczystsze barwy widma optycznego spośród wszystkich zjawisk Halo 12/30/2018 Instytut Geofizyki UW

Łuki Parry’ego 12/30/2018 Instytut Geofizyki UW

Łuki Lowitza 12/30/2018 Instytut Geofizyki UW

Bogactwo zjawisk Halo 12/30/2018 Instytut Geofizyki UW Less frequently seen halos An all sky HaloSim simulation for a 26° high sun and very well aligned cloud crystals. Some of these halos might be expected to be visible on average more than once a year. Others are once in a lifetime sights.    Click the halo key to reach descriptions.                                                          12/30/2018 Instytut Geofizyki UW

Promienie słoneczne promienie zmierzchowe Powstają w wyniku dużej ilości cząstek rozpraszających. Zarówno ze względu na wysoką wilgotność jak i zanieczyszczenia. 12/30/2018 Instytut Geofizyki UW

Widmo Brockenu Nazwa pochodzi od miejsca pierwszej obserwacji, najwyżej góry Harzu w Niemczech. Występuje w postaci cienia osoby rzuconego na chmurę lub mgłę. Często cień otoczony jest kolorowymi pierścieniami. 12/30/2018 Instytut Geofizyki UW

Gloria Zjawisko podobne do widma Brockenu jednak widoczne w samolotu. Składa się z barwnych pierścieni otaczających cień samolotu rzucany na chmurę. Postawie w wyniku rozpraszania światła na kroplach lub kryształach lodu. 12/30/2018 Instytut Geofizyki UW

Cień Ziemi 12/30/2018 Instytut Geofizyki UW

Pomarańczowe i czerwone zabarwienie Księżyca podczas jego zaćmienia 12/30/2018 Instytut Geofizyki UW