Dane INFORMACYJNE (do uzupełnienia) Nazwa szkoły: III Liceum Ogólnokształcące przy Zespole Szkół nr 2 w Wałczu ID grupy: 97/25_MF_G1 Kompetencja: Matematyczno- fizyczna Temat projektowy: Zjawiska optyczne (świetlne) w atmosferze. Semestr/rok szkolny: 2009/2010

ZJAWISKA OPTYCZNE W ATMOSFERZE W naszej prezentacji chcielibyśmy przedstawić kilka pięknych zjawisk zachodzących w atmosferze. Zjawiskami tymi są bez wątpienia: TĘCZA GLORIA WIDMO BROCKENU SŁUP ŚWIATŁA WIENIEC HALO ZORZA POLARNA

Zanim jednak przejdziemy do omówienia wcześniej wymienionych zjawisk chcielibyśmy wyjaśnić kilka podstawowych pojęć bez których te zjawiska by nie powstawały. Do pojęć tych zalicza się: pojęcie światła pojęcie odbicia światła, pojęcie załamania światła, ugięcie światła.

ŚWIATŁO Światło - pojęcie to ma inne znaczenie potoczne i w nauce. Potocznie nazywa się tak widzialną część promieniowania elektromagnetycznego, czyli promieniowanie widzialne odbierane przez siatkówkę oka ludzkiego np. w określeniu światłocień. Precyzyjne ustalenie zakresu długości fal elektromagnetycznych nie jest tutaj możliwe, gdyż wzrok każdego człowieka charakteryzuje się nieco inną wrażliwością, stąd za wartości graniczne przyjmuje się maksymalnie 380-780 nm, choć często podaje się mniejsze zakresy (szczególnie od strony fal najdłuższych) aż do zakresu 400-700 nm. W nauce pojęcie światła jest jednak szersze (używa się pojęcia promieniowanie optyczne), gdyż nie tylko światło widzialne, ale i sąsiednie zakresy, czyli ultrafiolet i podczerwień można obserwować i mierzyć korzystając z podobnego zestawu przyrządów, a wyniki tych badań można opracowywać korzystając z tych samych praw fizyki. Światło porusza się w próżni zawsze z taką samą prędkością zwaną prędkością światła. Jej wartość oznaczana jako c jest jedną z podstawowych stałych fizycznych i wynosi 299 792 458 m/s. Prędkość światła w innych ośrodkach jest mniejsza i zależy od współczynnika załamania danego ośrodka.

ODBICIE ŚWIATŁA

O odbiciu światła mówi się gdy promienie świetlne zmieniają swój kierunek rozchodzenia się na skutek trafienia na granicę dwóch ośrodków. Ilość odbitego światła zależy przede wszystkim od rodzaju tych ośrodków. W przypadku gdy powierzchnia na którą pada światła jest w przybliżeniu pozbawiona większych nierówności, odbicie światła opisuje prawo Sneliusa: kąt odbicia jest równy kątowi padania. Po odbiciu światło nadal pozostaje w tym samym ośrodku w którym padało na powierzchnię. Najlepszym przykładem odbicia światła jest odbijanie się obrazu w lustrze. Lustro działa w ten sposób, tylko dlatego, że prawie cała ilość światła na nie padające jest od niego odbijana.

ZAŁAMANIE ŚWIATŁA

Załamanie różni się zdecydowanie od odbicia, ponieważ w jego wyniku światło zmienia ośrodek w jakim się rozchodzi. Wraz ze zmianą ośrodka dochodzi najczęściej do zmiany kierunku rozchodzenia się światła. Załamanie światła powoduje szereg ciekawych efektów - m.in. złudzenie "złamania" łyżeczki od herbaty umieszczonej w szklance, nieprawidłowej lokalizacji dna jeziora, gdy patrzymy na nie z brzegu. Załamanie światła jest wykorzystywane do budowy soczewek stosowanych w okularach, obiektywach aparatów, lunetach i innych przyrządach optycznych. Załamanie występuje m.in. gdy światło przechodzi: z powietrza do wody z wody do powietrza ze szkła do powietrza z powietrza do szkła z warstwy powietrza gęstszego do rzadszego PRAWO ZAŁAMANIA ŚWIATŁA: Promień załamany leży w płaszczyźnie padania. Gdy światło przechodzi z ośrodka optycznie rzadszego do ośrodka optycznie gęstszego kąt załamania jest mniejszy niż kąt padania. W przypadku przechodzenia światła z ośrodka optycznie gęstszego do ośrodka optycznie rzadszego kąt załamania jest większy od kąta padania.

UGIĘCIE ŚWIATŁA (DYFRAKCJA)

Fala świetlna napotykając na swej drodze jakikolwiek przedmiot ulega na nim ugięciu, czyli dyfrakcji, w rezultacie czego obserwuje się światło poza granicami geometrycznego cienia lub geometrycznego obrazu tego przedmiotu. Ugięcie światła szczególnie wyraźnie występuje na drobnych obiektach, małych otworkach, szczelinach, ostrych krawędziach itp. Inaczej mówiąc, dyfrakcja to odchylenie od prostoliniowości rozchodzenia się fal zachodzące na krawędziach wąskich w porównaniu z długością fali szczelin. Powoduje ona powstanie na ekranie charakterystycznych figur dyfrakcyjnych. Zjawisko dyfrakcji wykorzystywane jest w przyrządach spektralnych oraz do pomiarów długości fali światła, jest to również jedna z przyczyn nieostrości obrazów optycznych. Rozróżnia się dwa rodzaje dyfrakcji: dyfrakcja w świetle równoległym: obserwujemy ją, gdy źródło światła S i miejsce obserwacji P znajdują się od przegrody na tyle daleko, że promienie padające na przeszkodę i promienie biegnące do punktu P tworzą wiązki praktycznie równoległe Dyfrakcja Fraunhoffera:

TĘCZA

Tęcza powstaje na skutek rozszczepienia światła i jego wielokrotnych wewnętrznych odbić w kropli wody.

Tęcza jest jednym z efektowniejszych zjawisk optycznych w atmosferze 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 (krople deszczu, mżawki lub mgły). W tęczy głównej barwa fioletowa występuje po wewnętrznej stronie, a barwa czerwona po zewnętrznej stronie. W tęczy wtórnej, o znacznie mniejszej jasności od tęczy głównej, czerwona barwa jest od wewnątrz, a fioletowa na zewnątrz. 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 (zjawisko obserwowano również przy świetle Księżyca). 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. Dla niektórych kłopotliwe jest pytanie, dlaczego tęcza jest okrągła i występuje w postaci łuku? Wydaje im się bowiem, że skoro krople deszczu spadają chaotycznie, to również światło biegnące od nich w kierunku obserwatora powinno rozpraszać się chaotycznie i przed oczyma obserwatora powinna powstać zwarta ściana świetlna. Byłoby tak istotnie, gdyby na krople padało światło rozproszone z różnych kierunków. Wiemy jednak, że na kroplę deszczu padają równoległe wiązki światła i stąd też wszystkie promienie z kropli rozchodzą się i wpadają do oka pod określonym kątem w stosunku do padania promieni słonecznych (42° lub 52°). Jeżeli oko znajdzie się w innym miejscu, nie pokrywającym się z tym kierunkiem (na przykład jeśli obserwator wzniesie się na samolocie), to po prostu nie zobaczy ono łuku. Okazuje się, że tęcza może powstawać nie tylko od bezpośrednich promieni słonecznych; czasem powstaje ona także od odbitych promieni Słońca Można to zobaczyć nad brzegami zatok, dużych rzek i jezior. Trzy lub cztery takie tęcze - zwykłe i odbite- tworzą wtedy piękny widok. Ponieważ promienie Słońca odbite od powierzchni wody biegną z dołu do góry, to tęcza tworząca się w tych promieniach może czasem wyglądać zgoła nieoczekiwanie.

Nie należy sądzić, że tęcz można zaobserwować tylko w ciągu dnia Nie należy sądzić, że tęcz można zaobserwować tylko w ciągu dnia. Zdarza się ona i w nocy, co prawda bardzo słaba. Taką tęczę można ujrzeć po nocnym deszczu, kiedy zza chmur wyjrzy Księżyc. Jeżeli tęcza pojawia się wieczorem przed zachodem Słońca, ma ona kolor czerwony. Na pięć lub dziesięć minut przed zachodem Słońca wszystkie barwy tęczy oprócz czerwonej znikają, tęcza staje się bardzo czerwona i widoczna nawet po upływie 10 min. od zachodu Słońca. Piękny widok przedstawia tęcza na rosie. Można ją zaobserwować przy wschodzie Słońca na trawie pokrytej rosą. Tęcza taka ma kształt hiperboli. Pierwsza teorię tęczy opracował w 1637 roku Kartezjusz. Objaśniał on tęczę jako zjawisko związane z odbiciem i załamaniem światła w kroplach deszczu. Tworzenie barw i kolejności zostały wyjaśnione później, po odkryciu złożonej natury światła białego i jego rozpraszania się w różnych ośrodkach. Teoria dyfrakcyjna tęczy została opracowana przez Airy' ego. Jako ciekawostkę podam, że Izaak Newton uważał, że wprawdzie trzeci łuk powstaje na niebie, lecz jest tak słaby, że go nie widzimy. Johann Bermoulli sugerował, że mogą go dostrzec jedynie orły i rysie. Dopiero Edmund Halley (ten od komety) przeprowadził właściwe obliczenia. Wynik buł dużą niespodzianka, ponieważ okazało się że trzecia i czwarta tęcza powstają nie po przeciwnej Słońcu stronie nieba, ale jako barwne kręgi wokół Słońca. Przez co najmniej 2 tys. lat ludzie szukali trzeciego łuku po złej stronie nieba!

Powstawanie tęczy głównej Powstawanie tęczy drugiego stopnia

Przy powstawaniu tęczy głównej światło słoneczne wchodząc do kropli załamuje się odbija się od jej przeciwnej strony wychodząc znowu załamuje się. Po tym przejściu światło wychodzi na zewnątrz w postaci pasma barw. Czasami można zaobserwować słabszą tęczę wtórną, położona jest ona na zewnątrz tęczy głównej. Barwy tej drugiej tęczy ułożone są odwrotnie. Powstaje ona, z światła padającego dalej od osi kropla - promień, wówczas światło ulega dwukrotnie odbiciu wewnątrz kropli i dopiero potem wychodzi na zewnątrz. Tęcza druga i trzecia i następne zawsze towarzyszy tęczy głównej, lecz są one znacznie słabsze od tęczy głównej.

Halo

Halo jest jednym z ciekawszych zjawisk świetlnych (optycznych) na niebie i powstaje na skutek załamania światła w chmurze zawierającej kryształki lodu. Występuje, jako barwny, biały lub w przeważającej części biały, 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. Pierścień o średnicy 22° (tzw. małe halo) powstaje przez załamanie na powierzchniach kryształków o kącie łamiącym 60° natomiast o średnicy 46° (rzadziej występujące tzw. duże halo), powstaje podczas załamania światła na krawędziach kryształków wzajemnie do siebie prostopadłych (kryształki lodu są graniastosłupami prostymi o podstawie sześciokątnej). Zjawisko halo występuje przy chmurach typu Cirrus.Część nieba wewnątrz kręgu jest wyraźnie ciemniejsza niż na zewnątrz. Obraz dyfrakcyjny jest różny w zależności od długości fal, a więc przy różnych barwach światłą. Kolejno pojawiają się zatem pierścienie niebieskie, zielone, żółte Co to ma jednak wspólnego z wieńcami? Czy w niebie są dziury jak w szwajcarskim serze? Nie, ale są krople wody! A światłu jest obojętne czy załamie się na otworze w kartce papieru czy też na kropelkach wody. Każda kropla wody wytwarza własne aureolki. Jeśli zaś wszystkie krople będą tej samej wielkości to wszystkie wieńce będą się na siebie nakładały, dając coraz więcej blasku. Rolę kropelek może równie dobrze odegrać pył czy zanieczyszczenia. W taki właśnie sposób powstają świetliste okręgi wokół źródeł światła, np. Słońca czy latarni.

Żeby zobaczyć światło słoneczne odchylone o kąt D=22° musimy patrzeć pod kątem D względem Słońca.

SŁUP ŚWIETLNY W bezwietrzny mroźny poranek można czasami zobaczyć, jak nad jaskrawo świecącym Słońcem, wznoszącym się nad horyzontem, widać w powietrzu igły lodowe połyskujące w jego promieniach, a poniżej i powyżej słupy świetlne. Są one barwne, ale gdy Słońce przybiera barwę żółtą, pomarańczową lub czerwoną, słup przybiera ten sam odcień. Efekt ten znany jest od dawna. Jeszcze kapłani świata antycznego traktowali je jako "znak Boży". Czasem słupy przybierają postać krzyża. Pojawienie się krzyża na niebie traktowało jako przepowiednię nieszczęścia. Ludzie nie potrafili wyjaśnić sobie tego zjawiska optycznego.Słupy świetlne bywają także widoczne podczas bezwietrznej, mroźnej pogody nad latarniami i innymi źródłami światła. Pojawienie się białych słupów związane jest z odbiciem światła od ścianek kryształków lodu. Słupy świetlne najlepiej jest obserwować wtedy, gdy słońce znajduje się za horyzontem bądź nisko nad horyzontem, ale zasłonięte jakimś budynkiem lub drzewami, gdyż wtedy nie oślepia nam oczu. Wyobraźmy sobie obłok składający się z kryształków i płytek lodu, których ścianki znajdują się w położeniu ściśle horyzontalnym. Opadają one bardzo powoli. Promienie światła odbijają się od nich, przy czym światło odbite nie wpada nie wpada bezpośrednio do oka obserwatora znajdującego się na Ziemi. Ale gdy tylko te same kryształki i płytki odchylają się o niewielki kąt względem linii horyzontu, wówczas promienie odbite również ulegną małemu odchyleniu i już teraz mogą trafić wprost do oka. Oko rzutuje promienie na sklepienie nieba i obserwatorowi wydaje się, że pod słońcem lub nad nim powstaje słup świetlny. Pionowe słupy mogą tworzyć się także w wyniku odbicia i załamania się światła w kryształkach, jeżeli są one usytuowane pionowo i opadają, obracając się powoli wokół horyzontalnej osi. Słupy poziome (horyzontalne) tworzą się w tym przypadku, gdy kryształki-spadochroniki, powoli opadają obracając się wokół swojej pionowej osi.

GLORIA Gloria powstaje na skutek dyfrakcji światła (ugięcia fal) 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, tj. w górach lub przy obserwacjach z samolotu. Na te same chmury pada cień obserwatora i wówczas wydaje się, że gloria otacza cień jego głowy. Gloria powstaje wskutek ugięcia się światła, uprzednio odbitego od kropelek chmur, tak że powraca ono od chmur w tym samym kierunku, w jakim na nie padało. 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, czy też nie jest otoczony barwną glorią.

ZJAWISKO (WiDMO) BROCKENU Zjawisko powstające w większości przypadków w górach. Powstaje tylko w przypadku gdy znajdujemy się powyżej chmur, a Słońce dopiero wschodzi (jest nisko nad horyzontem). W takich warunkach nasz cień zostaje wydłużony kilkadziesiąt/kilkaset razy i zostaje rzucony na powierzchnię chmur. Dzięki zjawisku zwanym "gloria" polegającym na załamywaniu się promieni słonecznych w kropelkach lub kryształkach lodu znajdujących się w chmurach, dookoła cienia naszej głowy utworzy się niewyraźna, pełnokolorowa tęcza (aureola) lub nawet dwie. Osoby mające pierwszy raz do czynienia z Widmem Brockenu niejednokrotnie myślą o duchach i dziwnych paranormalnych zjawiskach. Dodatkową ciekawostką jest to, że stojące osoby na linii Słońce-osoby-chmury znajdujące się poniżej tych osób, nie powodują powstania Widma Brockenu dla wszystkich osób jednocześnie! Fenomenem jest to, że każda osoba widzi tylko i wyłącznie własne Widmo Brockenu! Prawdopodobnie spowodowane jest to tym, że efekt glorii powstaje przy załamaniu promieni słonecznych pod kątem 22° lub 46°, dlatego osoba patrząca na cień innej osoby nie zauważy tęczy wokół niej, ponieważ promienie nie docierają pod wymaganym kątem do naszych oczu. To oczywiście moja hipoteza, ponieważ pomimo wiedzy jaką posiadają ludzie nauki, to zjawisko nigdy nie zostało szczegółowo zbadane ze względu na jego niezwykłą rzadkość występowania.

Dlaczego tak nazwano to niezwykłe zjawisko Dlaczego tak nazwano to niezwykłe zjawisko? Ponieważ pierwszy raz Widmo Brockenu zaobserwowano na najwyższym szczycie gór Harz w Niemczech (wys. 1142 m n.p.m.). Pomimo, że tamte góry są niskie jak na możliwość bycia ponad chmurami, to częste opady i powstające po nich mgły czynią to miejsce prawie idealnym do obserwowania tego typu zjawisk. Z Widmem Brockenu związana jest pewna legenda, którą stworzył i rozpowszechnił w latach dwudziestych XX wieku taternik Jan Alfred Szczepański. Według stworzonej przez niego legendy Widmem miał być mnich, którego spotkanie miało być zwiastunem śmierci w górach. Rozpoczynając swoją górską przygodę, niedoświadczony, często zafascynowany górami stopniowo wyruszasz na coraz to trudniejsze granie, w coraz to gorszą pogodę, aż pewnego dnia pośród chmur spotykasz po raz pierwszy mnicha. Jest to znak, że jeszcze długa droga przed Tobą, a śmierć może Cię dopaść w każdej chwili. Zachowując rozsądek, ucząc się szacunku dla gór po jakimś czasie spotykasz mnicha po raz drugi. Widmo śmierci w górach ciągle nad Tobą wisi, niemniej dzięki zdobytemu doświadczeniu Twoje szanse na bezpieczny powrót rosną. W końcu, po wielu latach górskich wędrówek, często w skrajnie trudnych warunkach, rozkochujesz się w górach, darzysz je coraz większym szacunkiem i spotykasz mnicha po raz trzeci. Jednak tym razem spotkanie to nie jest zwiastunem śmierci, wręcz przeciwnie groźba ta mija, a przed Tobą jeszcze wiele wędrówek i szczęśliwych powrotów

WIENIEC

Wieniec jest wywoływany przez dyfrakcję światła

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 (intensywne) lub plam (mniej intensywne) podobnych do obłoków. Ziemia można nazwać olbrzymim magnesem. Linie pola magnetycznego Ziemi wychodzą z obszaru przylegającego do północnego bieguna, opasują kulę ziemską i wchodzą w obszarze południowego bieguna magnetycznego. Cząstka naładowana wpadając w pole magnetyczne Ziemi porusza się ruchem spiralnym wokół linii pola. Zorza polarna powstaje na zasadzie żarówki jarzeniowej. Spowodowane wybuchami na Słońcu protony i elektrony wpadające w obręb pola magnetycznego Ziemi powodując jonizację i wzbudzenie atomów i cząsteczek gazów znajdujących się w atmosferze. Cząstki te zbierają się nad biegunami i uderzają atomy gazów, które dzięki temu oddają energię w postaci światła. To światło to właśnie zorza polarna! Zjawisko to ma najczęściej miejsce w pobliżu biegunów ziemskich, ponieważ tam jest największa koncentracja protonów i elektronów (w obszarach polarnych indukcja pola magnetycznego jest większa niż w pozostałych).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.