Zjawiska optyczne w przyrodzie Prezentację przygotowały PIKSELKI Gimnazjum w Łyszkowicach

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.

Zjawiska optyczne występujące w przyrodzie: Tęcza Zorza polarna Zaćmienie Słońca i Księżyca Miraż pustynny, czyli fata-morgana Miraż dolny i górny Zjawisko cienia i półcienia Zjawisko Brockenu Halo Iryzacja Wieniec (aureola) Gloria

Tęcza Tęcza jest jednym z efektowniejszych zjawisk optycznych w atmosferze. Jest to układ koncentrycznych łuków o barwach od fioletowej do czerwonej, wywołanych przez światło Słońca lub Księżyca, padające na zespół kropel wody w atmosferze. Tęcze dzielimy na: Główne Wtórne

Kolory tęczy – Newton:

Zjawisko powstawania tęczy: To zjawisko powstaje na skutek rozszczepienia światła białego i odbicia go wewnątrz kropel deszczu. Łuk pierwszy to wynik jednokrotnego, a drugi dwukrotnego odbicia rozszczepionego światła wewnątrz kropli (stąd odwrócona kolejność barw i mniejsze natężenie światła). Tęczę obserwuje się na tle chmur, z których pada deszcz, znajdujących się po przeciwnej stronie nieba niż Słońce lub Księżyc. Warunki, przy których obserwuje się typową tęczę mają przeważnie miejsce w przypadku chmur kłębiastych deszczowych. Natężenie światła, szerokość i barwa tęczy wahają się w szerokim przedziale w zależności od rozmiarów kropel. Tęczę obserwuje się również w bryzgach fal morskich, wodospadów i fontann. Podczas zjawiska tęczy widzimy tylko łuk, a nie całą ścianę barw, ponieważ 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.

Tęcza główna W tęczy głównej barwa fioletowa występuje po wewnętrznej stronie, a barwa czerwona po zewnętrznej stronie.

Tęcza wtórna W tęczy wtórnej, o znacznie mniejszej jasności od tęczy głównej, czerwona barwa jest od wewnątrz, a fioletowa na zewnątrz.

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 lub plam podobnych do obłoków. Podczas zjawiska zorzy polarnej protony i elektrony wpadające w obręb pola magnetycznego Ziemi powodują jonizację i wzbudzenie atomów i cząsteczek gazów znajdujących się w atmosferze. Zjawisko to ma najczęściej miejsce na biegunach, ponieważ tam jest największa koncentracja protonów i elektronów. 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.

Zaćmienie Słońca i Księżyca Do zaćmienia Słońca dochodzi, gdy Księżyc poruszający się po orbicie wokół Ziemi znajdzie się pomiędzy Słońcem a Ziemią. W zależności od rozmiarów kątowych oraz wzajemnego położenia tarczy Słońca i Księżyca w momencie zaćmienia, wyróżnia się zaćmienia częściowe, całkowite i obrączkowe. Do zaćmienia księżyca dochodzi, gdy Ziemia znajdzie się pomiędzy Słońcem a Księżycem przesłaniając promienie słoneczne padające na Księżyc. W zależności od tego jaki fragment tarczy Księżyca znajdzie się w cieniu Ziemi, wyróżnia się zaćmienia częściowe, całkowite i półcieniowe.

Zaćmienie obrączkowe

Miraż pustynny, czyli fata-morgana Załamujący się promień świetlny zawsze skręca w kierunku gęstszego powietrza, bądź środowiska. Gęstsze powietrze, jest to powietrze o wyższej temperaturze, cząsteczki jego poruszają się szybciej i jest ono gęstsze. Potoczną nazwą tego zjawiska jest “fata-morgana” i kojarzy się najczęściej z widocznym na pustyni jeziorem otoczonym palmami. 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.

Fata-morgana

Miraż dolny i górny Miraże dolne obserwuje się pod horyzontem. Powstają one na bardzo gorących, rozgrzanych obszarach, takich jak pustynie lub stepy. Temperatura Ziemi w tamtym miejscu jest o wiele wyższa od temperatury najniższej warstwy powietrza. Miraże dolne mogą być odwrócone lub proste. Np. Gdy jedziemy samochodem w upalny dzień i na drodze w oddali wydaje nam się, że widzimy wodę albo brzeg jeziora. Jednak tak naprawdę jest to obraz nieba odbity od najniższych warstw nad drogą w danej odległości od nas. W mirażu górnym promienie odbite ulęgają takiemu zakrzywieniu, że obserwator widzi ich obrazy powyżej linii horyzontu. Ten rodzaj mirażu można najczęściej zaobserwować nad morzem, ponieważ temperatura powietrza jest znacznie niższa od temperatury morza.

Zjawisko cienia i półcienia Światło rozchodzi się po linii prostej, więc gdy napotyka przeszkodę o rozmiarach podobnych z długością fali λ , to z tyłu za nią pojawi się cień. Jeżeli źródło światła jest punktowe to utworzy się cień pełny, a jeżeli źródło światła będzie miało duże rozmiary liniowe, to z tyłu przedmiotu utworzą się obszary cienia i półcienia.

Zjawisko Brockenu Zjawisko Brockenu jest zjawiskiem świetlnym rzadko występującym w atmosferze ziemskiej. Powstaje w górach, przy niskim położeniu Słońca nad horyzontem, gdy powiększony do nadnaturalnej wielkości cień obserwatora pojawia się na rozpostartych wprost przed nim, albo niżej od niego chmurach warstwowych, zalegających w dolinach. Inaczej mówiąc, obiekt znajdujący się pomiędzy Słońcem, a chmurami, rzuca cień wnikający głęboko w chmury. Cień często otoczony jest barwną aureolą. Jeżeli w zjawisku bierze udział kilka osób, to każda z nich widzi jedynie swoją aureolę. Nazwa zjawiska pochodzi od wzniesienia Brocken w górach Harz (Niemcy), gdzie zaobserwowano je po raz pierwszy.

Halo Halo jest jednym z ciekawszych zjawisk optycznych na niebie i powstaje na skutek załamania światła w chmurze zawierającej kryształki lodu. Występuje, jako barwny świetlisty pierścień, w którego środku znajduje się tarcza Słońca lub Księżyca. Krąg ten ma zwykle słabo widoczne zabarwienie czerwone od wewnątrz i w rzadkich przypadkach fioletowe na zewnątrz. Część nieba wewnątrz kręgu jest wyraźnie ciemniejsza niż na zewnątrz. Halo nazywamy również inne zjawiska optyczne w przyrodzie.

Słup światła Oprócz pierścieni, które są podstawowymi postaciami zjawisk halo występują również pionowe słupy świetlne, przechodzące przez tarczę Słońca lub Księżyca, obserwowane przy tych ciałach niebieskich. W bezwietrzny mroźny poranek można czasami zobaczyć, jak nad Słońcem widać w powietrzu igły połyskujące w jego promieniach oraz słupy świetlne. Słupy świetlne bywają 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 w powietrzu musi znajdować się obłok kryształków lodu, których ścianki znajdują się w poziomie. Wtedy promienie odbijają się od nich i następuje załamanie promieni słonecznych. Oko rzutuje je na sklepienie niebieskie i obserwatorowi wydaje się, że przy słońcu 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.

Wieniec Wieniec jest to jedna lub kilka serii barw pierścieni o stosunkowo małym promieniu, otaczających bezpośrednio tarczę ciała niebieskiego. W każdej serii pierścień wewnętrzny jest fioletowy lub niebieski, a pierścień zewnętrzny - czerwony; między nimi mogą występować inne barwy. Najbardziej wewnętrzna seria, mająca promień na ogół nie większy niż 5 stopni i nosząca nazwę aureoli, wykazuje zwykle wyraźny pierścień zewnętrzny o czerwonawej lub kasztanowej barwie. Wieńce wywołane są ugięciem światła w znajdujących się przed tarczą Słońca lub Księżyca cienkich chmurach, zbudowanych z drobnych, jednorodnych kropelek wody, zazwyczaj są to chmury średnie kłębiaste.

Iryzacja Iryzacja to tęczowe barwy powstające czasem na powierzchni przezroczystych ciał w wyniku interferencji światła. Obserwuje się je, jako mieniące się tęczowe plamy barwne na wodzie. Układy barw przeważnie zielonych i różowych, często o odcieniach pastelowych, są obserwowane na chmurach. Barwy te bywają niekiedy pomieszane, niekiedy zaś w postaci smug prawie równoległych do brzegów chmur. Barwy iryzacji są często błyszczące i przypominają kolor masy perłowej. Zjawisko iryzacji chmur w istocie jest tego samego pochodzenia co wieńce i występuje przy chmurach kłębiastych.

Gloria Gloria powstaje na skutek dyfrakcji światła na kroplach wody lub kryształkach lodu. Jest zjawiskiem optycznym polegającym na wystąpieniu barwnych pierścieni wokół cienia obserwatora widocznego na tle chmur lub mgły, przy czym niebieski pierścień ma mniejszą średnicę od czerwonego. Gloria podobna jest do wieńca, jednak powstaje nie dookoła Słońca lub Księżyca, lecz dookoła punktu, położonego po stronie przeciwnej względem tarczy ciała niebieskiego. Zjawisko to występuje na chmurach, położonych na wprost przed obserwatorem, albo niżej od niego. Na te same chmury pada cień obserwatora i wówczas wydaje się, że gloria otacza cień jego głowy. Uwaga: Jeśli chmura lub mgła są dość blisko obserwatora, jego cień wydaje się bardzo duży; nazywa się to wówczas zjawiskiem Brockenu, niezależnie od tego czy jest otoczony barwną glorią.