Dane INFORMACYJNE (do uzupełnienia) Nazwa szkoły: Zespół Szkół Nr5 ID grupy: 97/41_mf_g1 Kompetencja: matematyczno - fizyczna Temat projektowy: Zjawiska optyczne w atmosferze Semestr/rok szkolny: II / 2009/2010

Zjawiska fizyczne w atmosferze

Spis zjawisk Odbicie Iryzacja Załamanie Parhelium Rozpraszanie Miraż Tęcza Zorza polarna Halo Gloria Widmo Brockenu Aureola Wieniec Iryzacja Parhelium Irradiacja Słup świetlny Ognie św. Elma Piorun Zielony błysk Sfera Poświata

Odbicie światła

Załamanie

Rozpraszanie

Tęcza

Zorza polarna

Miraż

Halo

Gloria

Gwidmo Brockenu

Aureola

Widmo Brockenu

Wieniec

Iryzacja

Iryzacja chmur

Parhelium

Słup świetlny

Ognie ś. Elma

Piorun

Zielony błysk

Poświata

Fizyczne podstawy zjawisk optycznych Rozpraszanie Odbicie Załamanie Rozszczepienie Polaryzacja

Rozpraszanie Zjawisko oddziaływania światła z materią w wyniku którego następuje zmiana kierunku rozchodzenia się światła, z wyjątkiem zjawisk opisanych przez odbicie i załamanie światła. Rozróżnia się rozpraszanie światła: sprężyste – podczas rozpraszania nie następuje zmiana energii (częstotliwości) światła, niesprężyste – podczas rozpraszania zmienia się energia (częstotliwość) światła. Rozpraszanie wiąże się z niejednorodnościami układu, w którym zachodzi rozchodzenie się fal. Rozpraszanie może zachodzić na nierównościach powierzchni jak również na pyłach i aerozolach zawieszonych w powietrzu a także fluktuacjach gęstości.

Odbicie Odbicie — jest to zmiana kierunku rozchodzenia się fali na granicy dwóch ośrodków powodująca, że pozostaje ona w ośrodku, w którym się rozchodzi. Odbicie może dawać dwa efekty: obraz lustrzany, gdy promienie odbite są względem siebie równoległe (odbijają się pod tym samym katem), obraz rozmyty, gdy promienie odbite odbijają się pod różnymi kątami.

Prawo odbicia Kąt odbicia jest równy kątowi padania, a promień padający, promień odbity i normalna do powierzchni odbicia leżą w jednej płaszczyźnie. W wyniku odbicia zmienia się tylko kierunek rozchodzenia się fali, nie zmienia się jej długość.

Załamanie Załamanie światła - to zmiana kierunku rozchodzenia się fali (refrakcja fali) związana ze zmianą prędkości jej rozchodzenia się w ośrodku do którego przenika. Inna prędkość powoduje zmianę długości fali , a częstotliwość pozostaje stała. Prędkość rozchodzenia się promieniowania świetlnego w danym ośrodku określa bezwzględny współczynnik załamania ośrodka. Jest to wielkość bezwymiarowa określająca ile razy prędkość rozchodzenia się światła w próżni jest większa od prędkości rozchodzenia się światła w danym ośrodku.

Prawo załamania załamanie Prawo Snelliusa : promienie padający i załamany oraz prostopadła padania (normalna) leżą w jednej płaszczyźnie, a kąty spełniają zależność

Całkowite wewnętrzne odbicie Całkowite wewnętrzne odbicie to zjawisko fizyczne któremu ulega promieniowanie świetlne występujące na granicy ośrodków o różnych współczynnikach załamania. Polega ono na tym, że światło padające na granicę od strony ośrodka o wyższym współczynniku załamania pod kątem większym niż kąt graniczny, nie przechodzi do drugiego ośrodka, lecz ulega całkowitemu odbiciu.

Rozszczepienie światła Rozszczepienie światła białego na promienie składowe zachodzi na skutek różnic prędkości rozchodzenia się poszczególnych promieniowań o różnych barwnych w ciałach przezroczystych. W próżni wszystkie światła, niezależnie od barwy, rozchodzą się z taką samą prędkością. W ciałach przezroczystych promienie światła o różnych barwach (długościach) różnią się prędkością rozchodzenia promieniowania.

Dyspersja światła Prędkość rozchodzenia się światła w danym ośrodku zależy od bezwzględnego współczynnika załamania danego ośrodka. Przy przejściu światła pomiędzy ośrodkami zmianie ulega jego częstotliwość nie obserwujemy wówczas zmiany długości fali (barwy światła), więc zmiana szybkości powoduje zmianę długości promieniowania (barwy). Dla dowolnych dwóch ośrodków optycznych

Dyspersja światła c.d. skoro więc po przejściu promieniowania do ośrodka o większym współczynniku załamania długość fali maleje. Oznacza to, że współczynnik załamania dla danej barwy nie jest stały, lecz zależy od długości λ danej fali świetlnej. Zależność n(λ) nosi nazwę dyspersji światła. W ciałach przezroczystych najszybciej rozchodzi się światło czerwone, najwolniej fioletowe.

Dyfrakcja Dyfrakcja to zjawisko zmiany kierunku rozchodzenia się fali na krawędziach przeszkód. Jeżeli wiązka fal przechodzi przez wąską szczelinę lub omija bardzo cienki obiekt, to zachodzi zjawisko ugięcia. Zjawisko dyfrakcji tłumaczy zasada Huygensa: każdy punkt czoła fali kulistej jest źródłem nowej fali kulistej.

Obrazy dyfrakcyjne

Interferencja Interferencja to zjawisko nakładania się fal pochodzących z wielu źródeł, prowadzące do zwiększania lub zmniejszania amplitudy fali wypadkowej. Interferencja zachodzi dla wszystkich rodzajów fal, we wszystkich ośrodkach, w których mogą rozchodzić się dane fale. Efekt nałożenia się na siebie dwóch fal zależy od tego czy będą one zgodne czy przeciwne w fazie.

Doświadczenie Younga

Powstanie prążków interferencyjnych Jasne prążki interferencyjne powstają gdy: różnica dróg optycznych między dwoma falami jest równa całkowitej wielokrotności długości fali Jasne prążki interferencyjne powstają gdy: różnica dróg optycznych między dwoma falami jest równa nieparzystej wielokrotności polowy długości fali

Polaryzacja W większości przypadków światło to fale płaskie. Płaska fala elektromagnetyczna cechuje się tym, że wektory pola magnetycznego oraz elektrycznego prostopadłe do siebie leżą w jednej płaszczyźnie prostopadłej do kierunku propagacji (rozchodzenia się) fali, wektory te są zależne od siebie i podanie jednego jednoznacznie określa drugi dlatego przyjmuje się, że polaryzacja światła to zjawisko związane wyłącznie z wektorem pola elektrycznego. Wektor ten można rozłożyć na dwie składowe prostopadłe do siebie. Zmiany tych składowych można opisać funkcjami sinusoidalnymi, a zatem wystarczy podać ich fazę, amplitudę oraz częstotliwość, aby je jednoznacznie zdefiniować.

polaryzacja liniowa polaryzacja kołowa polaryzacje eliptyczna Rodzaje polaryzacji polaryzacja liniowa polaryzacja kołowa polaryzacje eliptyczna

Polaryzacja liniowa Polaryzacja liniowa, drganie odbywa się wzdłuż linii prostej. Każde drganie można przedstawić jako sumę drgań wzdłuż osi X i Y. W przypadku polaryzacji liniowej drgania składowe są w fazie lub w przeciwfazie (180°). Stosunek amplitud drgań składowych określa kierunek drgania, a tym samym i polaryzację. Brak jednej ze składowych odpowiada polaryzacji wzdłuż osi. W polaryzacji liniowej przemieszczenie (natężenie pola elektrycznego) punktu w każdym cyklu przechodzi dwa razy przez zero.

Polaryzacja kołowa Polaryzację kołową, drganie to odpowiada ruchowi po okręgu. Można je rozłożyć na dwa drgania o jednakowych amplitudach ale o fazach przesuniętych dokładnie o 90° lub 270° (-90°). W zależności do tego, czy fazy są przesunięte o 90° czy 270°, mówi się o polaryzacji kołowej prawoskrętnej lub polaryzacji kołowej lewoskrętnej. Wynika to z faktu, że wektor wychylenia może obracać się albo w lewo albo w prawo. W polaryzacji kołowej przemieszczenie (natężenie pola elektrycznego) ma zawsze taką samą wartość, zmienia się tylko kierunek przemieszczenia.

Polaryzacja eliptyczna Polaryzację eliptyczną, która jest uogólnieniem polaryzacji kołowej. Ruch ciała wytwarzającego drganie odbywa się po elipsie. Drganie to rozkłada się, podobnie jak w polaryzacji kołowej, na drgania o fazie przesuniętej o 90° lub 270° ale drgania składowe mają różne amplitudy. Polaryzacja eliptyczna może być wyrażona jako złożenie polaryzacji liniowej i kołowej.

Metody polaryzacji Falę spolaryzowaną można uzyskać poprzez: - selektywną emisję: źródło fali wykonuje drgania w jednym kierunku, - selektywne pochłanianie: ośrodek przez który przechodzi fala pochłania falę o jednym kierunku polaryzacji, a przepuszcza o przeciwnej, - pojedyncze rozproszenie – rozproszenie w kierunku prostopadłym tworzy falę spolaryzowaną, odbicie od ośrodka przezroczystego, - dwójłomność, podwójne załamanie.

Polaryzacja przez odbicie Jeżeli światło pada na powierzchnię dielektryka (np. szkła) pod takim kątem, że kąt między promieniem odbitym a załamanym jest katem prostym to wiązka odbita jest całkowicie spolaryzowana w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny padania, wiązka załamana, która wniknęła w dielektryk, jest częściowo spolaryzowana w płaszczyźnie padania wówczas kąt padania nazywamy katem Brewstera αB.

Podstawy matematyczne zjawisk optycznych - twierdzenie Talesa - twierdzenie Pitagorasa - podobieństwo trójkątów

Twierdzenie Talesa Jeżeli ramiona kąta przecięte są prostymi równoległymi, to odcinki wyznaczone przez te proste na jednym ramieniu kąta, są proporcjonalne do odpowiednich odcinków na drugim ramieniu kąta.

Twierdzenie Pitagorasa W dowolnym trójkącie prostokątnym suma kwadratów długości przyprostokątnych jest równa kwadratowi długości przeciwprostokątnej tego trójkąta.

Podobieństwa trójkatów bbb - dwa trójkąty są podobne jedynie trzy boki jednego trójkąta są proporcjonalne do trzech boków drugiego trójkąta bkb - dwa trójkąty są podobne, gdy dwa boki jednego trójkąta są proporcjonalne do dwóch boków drugiego trójkąta i kąty zawarte między tymi bokami mają równe miary kbk - dwa trójkąty są podobne jedynie jeśli rozwartości kątów jednego trójkąta są odpowiednio równe rozwartością kątów drugiego trójkąta

Miraż Miraż, fatamorgana – zjawisko powstania pozornego obrazu odległego przedmiotu w wyniku różnych współczynników załamania światła w warstwach powietrza o różnej temperaturze, a co za tym idzie, gęstości optyczne, przez co światło ulega załamaniu pod różnymi kątami. Miraż górny to zjawisko załamania występujące wielokrotnie w kolejnych warstwach powietrza, powodujące że światło rozchodzi się po linii krzywej. Jeżeli obserwator znajdzie się w miejscu, gdzie dochodzi światło odbite od statku, to na przedłużeniu promieni wpadających do jego oka, zobaczy prosty obraz statku na tle nieba. Miraż dolny obserwuje się pod horyzontem. Decydującym czynnikiem warunkującym jego powstawanie jest dostatecznie silne nagrzanie dużej powierzchni podłoża (np. piasku na pustyni, asfaltowej szosy, ściany dużego budynku itp.). Promienie świetlne są wówczas zakrzywiane w górę, ku chłodniejszemu, a więc gęstszemu powietrzu.

Zorza polarna Materia emitowana przez Słońce owiewa Ziemię, powodując zmiany w górnych częściach naszej atmosfery, głównie w pobliżu biegunów, gdzie pobudza do świecenia gazy atmosferyczne. Poniżej postaram się wytłumaczyć to zjawisko dokładniej, tak, by wszystko było jasne. Atmosfera Słońca z odległości 150 mln km od Ziemi, w przestrzeń międzyplanetarną ulatują wysokoenergetyczne cząstki zwiane wiatrem słonecznym. Wiatr słoneczny jest to plazma, czyli strumień elektrycznie naładowanych cząsteczek o dużej energii, który nieustannie wypływa ze słońca. Cząstki wiatru słonecznego są całkowicie zjonizowane na dodatnie jony atomów i ujemne elektrony. Jednoimienne ładunki poruszające się w tym samym kierunku odpychają się od siebie, a różnoimienne przyciągają. Jest to właściwość dzięki której, po opuszczeniu Słońca, następuje grupowanie się cząstek wiatru słonecznego w dwa strumienie o przeciwnych ładunkach elektrycznych. Po kilku dniach kosmicznej podróży, z prędkościami dochodzącymi do 800 km/s, wysokoenergetyczne cząstki dochodzą do Ziemi. W miarę zbliżania się do jej powierzchni napotykają na silny opór. Jest nim ziemskie pole magnetyczne, które stanowi swego rodzaju tarczę ochronną. Większość wysokoenergetycznych cząstek jest odchylana przez pole magnetyczne Ziemi i omija ją. Niektóre jednak są chwytane i przyspieszane przez pole magnetyczne wzdłuż kierunku jego linii i kierowane w okolice biegunów magnetycznych naszej planety. Tam cząstki wiatru słonecznego wpadają do atmosfery i zderzają się z atomami i molekułami. Te z kolei zostają wzbudzone i emitują światło, widoczne dla nas jako zorza polarna.

Tęcza Zjawisko to polega na rozszczepieniu się promieni słonecznych w kroplach wody zawieszonych w powietrzu. Jej barwy zachowują zawsze ten sam układ: na zewnątrz czerwony, wewnątrz fiolet. Od czasu do czasu widoczna jest też druga tęcza, świecąca nieco słabiej niż pierwsza, w której barwy ułożone są odwrotnie, czyli na zewnątrz fioletowa, a od środka czerwona. Kąt załamania promienia przy przejściu przez kroplę wody zależy od długości fali. Każda kropla działa jak maleńki pryzmat: rozszczepia światło na poszczególne barwy, od fioletu do czerwieni. Część promieni słonecznych przy przejściu przez kroplę odbija się od jej wewnętrznej powierzchni raz (wtedy tworzy się tęcza pierwotna, czyli pojedyncza), inne – dwa razy. Wychodzą one z kropli pod kątem 51 stopni, a więc o dziewięć stopni większym niż kąt wyjścia promieni składających się na tęczę pierwotną. Wtórna tęcza, która tworzy się podczas gdy promienie słoneczne przechodzące przez krople odbijają się od jej wewnętrznej powierzchni dwa razy, jest słabsza i dużo mniej wyraźna, bo przy każdym odbiciu część światła rozprasza się. O szerokości łuku tęczy i intensywności barw decyduje wielkość kropel wody. Przy mżawce może pojawiać się blada, prawie bezbarwna tęcza, natomiast przy ulewnym deszczu mieni się ona wspaniałymi barwami. Zdarzają się mniej wyraźne tęcze wywołane poświatą Księżyca, ale wówczas nie są one kolorowe, a jedynie bladoczerwone.

Korona Korona, to barwne i lśniące pierścienie wokół Słońca lub Księżyca. W tych pierścieniach zawarte są wszystkie barwy, począwszy od fioletu wewnątrz, skończywszy na czerwieni zewnątrz. Korony powstają poprzez dyfrakcję światła, gdy przechodzi ono przez cienką warstwę kropelek wody w chmurach typu Altostratus lub Altocumulus. Aby korona mogła się pojawić warstwa chmur musi być cienka, gdyż światło może w niej zostać rozproszone lub ugięte tylko raz. Barwy nie są jednak dokładnie rozdzielone, częściowo nakładają się sprawiając, że kolory, które widzimy w postaci pierścieni wokół Słońca i Księżyca są wynikiem ich mieszania. W centrum korony znajduje się biała aureola powstała z połączenia wszystkich barw. Częściej zaobserwować można koronę wokół Księżyca. Dzieje się tak dlatego, że jego światło jest znacznie słabsze

Halo Halo jest to świetlny pierścień wokół tarczy Słońca lub Księżyca. Może mieć kolor biały, ale mogą także występować inne kolory. Zjawisko to powstaje na skutek załamywania się promieni słonecznych i ich odbijania od drobnych kryształków lodu w atmosferze. Kryształki te wchodzą w skład cirrusów - wysokich i cienkich chmur, powstałych w górnej części troposfery. W bardzo mroźnym powietrzu zjawiska halo powstawać też mogą na kryształkach tworzących tzw. pył diamentowy tuż nad powierzchnią ziemi. Kryształki te mogą mięć różne kształty - najczęściej są to cienkie płytki lub sześciokątne graniastosłupy przypominające ołówki, rzadziej kryształy i innych foremnych kształtach. Halo zazwyczaj zwiastuje pogorszenie się pogody.

Gloria – widmo Brockenu Gloria, to barwny pierścień, który powstaje wokół punktu antysolarnego, czyli cienia przedmiotu lub osoby, padającego na chmury znajdujące się poniżej. Pierścienie powstają wskutek dyfrakcji i wstecznego rozproszenia światła na kropelkach wody tworzących chmury lub mgłę. Zjawisko to często występuje na Brockenie (1142 m n.p.m.) , najwyższym szczycie gór Harzu w środkowych Niemczech. Brocken wznosi się na ponad 250 m wyżej od pozostałych gór pasma Harzu. Brocken charakteryzuje się znacznym kontrastem klimatycznym w porównaniu z otaczającymi go, znaczne niższymi obszarami (niższe temperatury, silne wiatry, częste zachmurzenie, opady do 1400 mm rocznie). Ta klimatyczna odrębność powoduje, że stosunkowo często panują tam warunki umożliwiające obserwację zjawiska Brockenu - poniżej wierzchołka kładą się mgły tworzące jak gdyby ekran, na którym widoczny staje się wydłużony cień obserwatora z kolorowymi pierścieniami wokół głowy

Iryzacja Jest to tęczowy układ barw obserwowany na chmurach średniowysokich, takich jak Altocumulus czy Altostratus. Odcienie na chmurach są najczęściej pastelowe, zielone i różowe. Nazwa iryzacja pochodzi od imienia greckiej bogini będącej personifikacją tęczy - Iris. Zjawisko to można obserwować stosunkowo często jednak na ogół by ja zauważyć, trzeba patrzeć przez przyciemnione okulary. Do niedawna zdecydowanie zakładano, że mechanizm zjawiska iryzacji chmur jest taki sam jak w przypadku korony, jednak zachodzi ona, gdy krople tworzące chmurę nie mają jednakowych rozmiarów - kolor danego fragmentu chmury zależy od rozmiaru tworzących ją kropel. Obłoki iryzujące są bardzo rzadkim zjawiskiem. Są obserwowane głównie w Szkocji i Skandynawii, ale również donoszono o ich pojawianiu się we Francji i na Alasce.

Parahelium – pozorne Śłońce Parahelia, to jasne punkty leżące po obu stronach Słońca. Zjawisko to można zaobserwować podczas bezwietrznej pogody przy niskim położeniu Słońca. Wtedy znaczna część kryształków lodu rozmieszczona jest w powietrzu w ten sposób, że ich osie główne znajdują się w pozycji pionowej i graniastosłupy opadają powoli, niczym maleńkie spadochroniki. W tym przypadku po załamaniu najbardziej jaskrawe światło pada do oka pod kątem 22° wychodząc z tych ścianek kryształów, które usytuowane są pionowo. Wówczas światło to tworzy z obu stron Słońca pionowe słupy, które mogą być w pewnych miejscach szczególnie jaskrawe, dając złudzenie Słońca pozornego

Zielony błysk Zjawisko to bardzo trudne do zaobserwowania, gdyż trwa ono bardzo krótko. Polega ono na tym, że górna krawędź zachodzącego lub wschodzącego Słońca przez moment błyszczy na zielono-niebiesko. Warunkiem zaobserwowania tego zjawiska jest nieskazitelnie czyste i nieruchome powietrze, a także zasięg widzenia nie ograniczony niczym, aż do granicy wyznaczonej przez krzywiznę Ziemi. Zjawisko to polega na ugięciu promieni słonecznych w atmosferze. Atmosfera ziemska, tak jak pryzmat, rozszczepia białe światło słoneczne na szereg barw. Najmniej rozpraszany jest kolor czerwony a najbardziej kolor niebieski i fioletowy. Własność ta jest największa w pobliżu horyzontu, gdyż światło słoneczne pokonuje wówczas dużo grubszą warstwę atmosfery. Podczas obserwacji zielonego błysku, często zdarza się, że większość tarczy słonecznej znajduje się już pod horyzontem - ponad nim widoczny jest tylko górny brzeg, zabarwiony na zielono. Promienie czerwono zabarwionego dolnego brzegu Słońca nazywane są często czerwonym błyskiem. Jednak ich obserwacja jest jeszcze trudniejsza - jest możliwa podczas wschodu Słońca lub księżyca, gdy dolny brzeg ich tarczy przemieszcza się ponad horyzont, lub podczas zachodu, jeśli tuż nad linią horyzontu znajdzie się pasmo chmur przysłaniające resztę tarczy Słońca lub Księżyca