Fascynujące zjawiska fizyczne Katarzyna Smętkiewicz kl. 3c, VIII LO w Łodzi

Zjawiska optyczne (fotometeory)

Iryzacja

Zjawisko iryzacji powstaje gdy promienie światła słonecznego lub księżycowego przechodzą przez drobne kropelki wody lub kryształki lodu w chmurze zakrzywiają się tworząc układy delikatnych barw. Zakres barw zależy od rozmiaru kropelek wody oraz kąta pod jakim światło pada na chmurę. Wtedy też, brzegi chmury mają zabarwienie w kolorach tęczy. Iryzacja wskazuje, że chmury średnich kłębiastych, w których to występują składają się z bardzo malutkich jednorodnych, przy niskich temperaturach przechłodzonych kropelek wody.

Arizona – 8. 09. 1999r.

Bochum – 27. 07. 1997r. Zugspitze – 18. 07. 1998r.

Tęcza

Szeroki, świetlny krąg wytworzony przez światło załamujące się w kroplach deszczu. Najlepszą porą dnia na obserwowanie tęczy jest poranek lub późne popołudnie, gdy słońce oświetla padający w pewnej odległości deszcz. Jeżeli stoisz zwrócony plecami do słońca i patrzysz w kierunku deszczu, masz szansę zobaczyć tęczę. Im słońce jest niżej nad horyzontem, tym łuk tęczy jest dłuższy. W słoneczny dzień możesz stworzyć swoją własną tęczę, wykorzystując ogrodowy zraszacz-stań plecami do słońca i spójrz na kropelki na wody. Można także zobaczyć tęczę z samolotu – będzie to wówczas nie tylko łuk, ale cały barwny krąg. Różnokolorową tęczę widzimy dzięki temu, że światło słoneczne przechodzące przez krople deszczu załamuje się i rozszczepia na siedem różnych barw. Promienie fioletowe załamują się pod kątem 40o, czerwone – pod kątem 42o.Pozostałe barwy tęczy znajdują się pomiędzy nimi. Barwa czerwona pojawia się na zewnętrznym skraju tęczy, niżej widoczne są barwy: pomarańczowa, żółta, zielona, niebieska, granatowa i fioletowa. Im większe są krople deszczu tym bardziej wyraziste i ostre barwy ma tęcza. Czasami tęczy głównej towarzyszy druga, słabiej widoczna tęcza wtórna o promieniu wynoszącym ok. 50 stopni. Znajduje się ona zawsze nieco powyżej głównej, a układ jej barw jest odwrotny, z barwą czerwoną wewnątrz łuku. Tęcza wtórna powstaje w wyniku dwukrotnego odbicia światła od tylnej ścianki kropli deszczu. Ponieważ przy każdym odbiciu następują straty światła, barwy tęczy wtórnej nie są już tak wyraziste jak w tęczy głównej.

Wieniec wokół Słońca lub Księżyca

W znajdujących się przed tarczą Słońca lub Księżyca cienkich chmurach, zbudowanych z drobnych, jednorodnych kropelek wody (zazwyczaj są to chmury średnie kłębiaste) obserwuje się wieńce. Wieńce te występują także we mgle dookoła sztucznych źródeł światła. Główną, a często jedyną, częścią wieńca jest jasny pierścień o niewielkim promieniu, otaczający bezpośrednio tarczę ciała niebieskiego (lub sztucznego źródła światła). Pierścień ten ma zabarwienie niebieskawe, a na zewnątrz czerwonawe. Nazywają go też aureolą. Może on być otoczony jednym lub kilkoma dodatkowymi, jasnymi pierścieniami o takim samym zabarwieniu, nie stykającymi się bezpośrednio ani z pierwszym z wymienionych kręgów, ani też ze sobą. Promień wieńca bywa rzędu 1-5 stopni. Jest on odwrotnie proporcjonalny do średnicy kropelek w chmurze; dlatego na podstawie jego rozmiarów można określać wielkość kropelek, znajdujących się w chmurach. Wieńce wywołane są ugięciem światła przez bardzo drobne kropelki chmurowe, które tworzą jakby siatkę dyfrakcyjną. Dookoła każdego punktu tarczy ciała niebieskiego powstaje jedno lub kilka widm dyfrakcyjnych mających kształt kręgów. Nakładają się one jedne na drugie, przy czym barwy ich zlewają się, co daje w wyniku odcień niebieskawy. Jedynie widma wytworzone przez punkty leżące na skrajach tarczy ciała niebieskiego, tworzą po zewnętrznej stronie każdego pierścienia otok o zabarwieniu czerwonawym. Wieńce dookoła sztucznych źródeł świateł o małych rozmiarach (w porównaniu z rozmiarami tarcz ciał niebieskich) mają bardziej bogate barwy tęczy.

Lorch (Wuerttenberg) – 28.12.1993r. i 24.05.1994r.

Poczdam – 11.05.1998r.

Halo

Jest wywołane odbiciem, załamaniem i ugięciem światła w chmurowych kropelkach wody lub kryształkach lodu. Powstaje w chmurach piętra górnego zbudowanych z kryształków lodowych, zwłaszcza w chmurach warstwowo-pierzastych. Są to pierścienie o promieniu 22 stopni kątowych, 46 stopni lub kombinacji łuków tych kręgów o środkach położonych w środku Słońca lub Księżyca. Pierścienie te są słabo zabarwione w kolorach tęczy (czerwony wewnątrz). Zabarwienie halo jest spowodowane załamywaniem się światła w sześciokątnych (heksagonalnych) kryształkach pryzmatycznych lodu, z których są zbudowane chmury piętra wysokiego; postacie bezbarwne powstają wskutek odbicia światła od ścian kryształków.

Chile – 7.04.1998r.

Lorch (Wuerttenberg) – 6.03.1994r. Lot Zuerich-Atlanta – 5.09.1999r. Lorch (Wuerttenberg) – 6.03.1994r.

Karlsruhe (Niemcy) – 20.03.2000r.

halo i lewe Słońce poboczne Bochum – 14.04.1998r. halo i iryzacja Norwegia – 12.07.1994r.

Łuk mgielny

Gdy w mglisty dzień zwrócisz się plecami do nisko wzniesionego nad horyzontem słońca, możesz czasem zobaczyć łuk na mgle. Mgła składa się z drobnych kropelek wody, które mogą załamywać i odbijać promienie świetlne, w taki sam sposób, jak dzieje się to w kropelkach deszczu podczas powstawania tęczy. Oba zjawiska różnią się tym, że łuk na mgle (podobnie jak łuk lodowy) jest biały. Kropelki mgły są zbyt małe, aby załamywać światło wystarczająco silnie, by rozszczepiło się ono na poszczególne barwy.

Nebraska – 21.09.1999r.

Kornwalia – 1.04.1997r. Chile – 15.02.1999r.

Słońce poboczne

Słońce poboczne (zwane też Słońcem pozornym) to jasna plamka świetlna, która ukazuje się na niebie z boku Słońca. To osobliwe zjawisko jest wywołane przez opadające w powietrzu kryształki lodu, w których światło słoneczne załamuje się, tworząc iluzję drugiego Słońca. Czasami obserwować można dwa Słońca poboczne, po jednym z obu stron Słońca właściwego. Mogą one leżeć na łuku świetlnym, zwanym poziomym kręgiem przysłonecznym. Słońca poboczne są często zabarwione - barwa czerwona widoczna jest po stronie bliższej Słońca właściwego, a biała - po stronie przeciwnej. Podobny efekt może być widoczny nocą, w postaci "pobocznych Księżyców".

Bochum – 9.12.1999r.

Karlsruhe – 24.10.1996r. Karlsruhe – 18.09.1997r.

Erlangen – 13.10.1998r.

Karlsruhe – 9.04.1997r.

Zielony promień

Zjawisko jest bardzo trudne do zaobserwowania z powodu bardzo krótkiego czasu trwania. Występuje nad wschodzącym lub zachodzącym słońcem. Jest spowodowany załamywaniem promieni słonecznych. Atmosfera ziemska, tak jak pryzmat, rozszczepia białe światło słoneczne na szereg barw. Najmniej rozpraszany jest kolor czerwony a najbardziej kolor niebieski i fioletowy. Kiedy atmosfera ziemska jest wyjątkowo czysta i spokojna, zielony błysk światła nad brzegiem zachodzącego słońca, znajdującego się blisko odległego horyzontu, może być obserwowany tylko przez sekundy. Na Saharze zdarza się, że traw nawet kilka minut. Jeszcze trudniej zaobserwować niebieski błysk, gdyż wtedy nie może dojść do rozproszenia i osłabienia załamanego niebieskiego światła.

Wyspy Kanaryjskie – 10.2001r.

Słupy świetlne

Gdy światło słoneczne odbija się od spodniej strony drobnych kryształków lodu znajdujących się przeważnie w położeniu poziomym, spadających powoli w powietrzu, mogą ukazywać się nad Słońcem (i sporadycznie poniżej niego) pionowe snopy światła. Te "słupy świetlne" są najlepiej widoczne tuż po wschodzie Słońca lub tuż przed jego zachodem. Przybierają wtedy wspaniały, pomarańczowo-czerwony odcień.

Karlsruhe – 23.10.1996r.

Bochum – 30.12.1997r.

Gloria

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 padło.

Lot Sttutgart-Frankfurt/M – 28.08.1994r.

Fatamorgana

Często w rozgrzanym, falującym powietrzu nad pustyniami można obserwować ciekawe zjawiska świetlne wywołujące wrażenie oglądania przedmiotów odbitych w tafli wody jak w zwierciadle. Zdarzało się, że podróżnicy odnotowywali w swych notatkach nieistniejące jeziora. To błędne wrażenie, zwane mirażem wywołane jest załamaniem się promieni świetlnych w nagrzanych tuż nad powierzchnią warstwach powietrza. Jednym z miraży jest fatamorgana polegająca na dostrzeganiu odwróconych obrazów nie istniejących. Powstaje ona w wyniku wytworzenia nad piaskiem warstwy powietrza o zwiększonej gęstości. Powoduje to często dostrzeganiu przez podróżnych odwróconych obrazów, dalekich przedmiotów, lub obrazów nieistniejących. Pojawia się w Cieśninie Mesyńskiej, nad Jeziorem Genewskim i w Zatoce Toyama w Japonii

Zjawiska elektryczne (elektrometeory)

Zorza polarna

Zorze polarne (zwane zorzami północnymi lub południowymi) są jak potężne, zielone zasłony, mające często odcień różowy lub niebieski. Występują po tej samej stronie, po której znajduje się Słońce. Falują łagodnie na niebie Arktyki lub Antarktydy i mogą być tak jasne jak światło Księżyca. Wywołuje je "wiatr słoneczny" - niewidoczny strumień elektrycznie naładowanych cząsteczek, wyrzucanych w przestrzeń międzyplanetarną podczas burz na Słońcu. Wiatr słoneczny przemierza przestrzeń kosmiczną z prędkością dochodzącą do 3mln. km/h. W odległości około 64 tys. km. od Ziemi cząsteczki są przechwytywane przez ziemskie pole magnetyczne i przyjmują kierunek zgodny z kierunkiem jego linii. Część tych cząstek jest ściągana w dół, ku północnemu lub południowemu biegunowi magnetycznemu. Wysoko ponad biegunami naładowane cząstki dostają się do atmosfery i zderzają z cząsteczkami powietrza, które pochłaniają energię elektryczną i natychmiast uwalniają ją w postaci światła. Cząsteczki tlenu emitują światło zielonkawobiałe, cząsteczki azotu - światło różowe i niebieskie. Naturę zórz polarnych wyjaśnił dopiero na początku XX w. norweski uczony Kristian Birkeland. Zorza jest najlepiej widoczna z promu kosmicznego. Oglądana z kosmosu tworzy efektowne świetliste zasłony, tańczące wysoko na niebie. Sprawiają one wrażenie uchodzących w przestrzeń, w rzeczywistości jednak dzieje się coś innego. Wiatr słoneczny zderza się najpierw z cząsteczkami powietrza w najwyższej, najbardziej rozrzedzonej części atmosfery, a następnie schodzi coraz bardziej w dół. W przeciwległej części nieba obserwuje się przeciwzorze (ze staropolskiego zarza), której towarzyszy zmiana odcieni kolorów z przewagą purpurowych i purpurowo-fioletowych. Po zachodzie Słońca w tej części nieba występuje cień Ziemi w postaci szaro-niebieskiego wycinka koła, coraz bardziej zwiększającego się zarówno ku górze, jak i na boki.

Chile – 23.04.1998r. Szwecja – 7.02.1999r.

Karlsruhe – 9.06.1997r.

Ognie św. Elma

Ciche lub odbywające się z lekkim trzaskiem wyładowania elektryczności z ostro zakończonych przedmiotów (z ostrzy) np. maszty statków, anteny, skały, któremu czasami towarzyszy świecenie. Mogą one występować również i przy braku chmur burzowych, zwłaszcza podczas zamieci śnieżnych i burz pyłowych, najczęściej w górach. Jeżeli napięcie pola elektrycznego jest na ogół duże, to nad wystającymi i ostro zakończonymi przedmiotami może się ono stać jeszcze znacznie większe. Wówczas bezpośrednio koło ostrzy mogą powstawać takie wartości napięcia, które zbliżają się do wartości krytycznych. Powietrze w bezpośredniej bliskości ostrzy staje się dobrze przewodzącym i z ostrzy następuje dostrzegalny wypływ elektryczności. Podczas szczególnie dużego natężenia wypływy te stają się widoczne i wyglądają jak świecące nici, kiściami rozchodzące się od ostrza ku górze(wyładowania kiściowe).

Pioruny kuliste

Błyskawica kulista stanowi tajemnicze, niewyjaśnione zjawisko Błyskawica kulista stanowi tajemnicze, niewyjaśnione zjawisko. Jest to nieduża świecąca kula o średnicy dziesiątków centymetrów (o wielkości pośredniej między piłką golfową a piłką), przemieszczająca się wraz z wiatrem lub w ogóle z prądem powietrza (o ile trafia do wnętrza budynku). Płynie w powietrzu niewysoko ponad gruntem, jarząc się matowym, żółtawym światłem i nieoczekiwanie zmieniając kierunki ruchu. Zjawisko trwa zaledwie sekundy. Przy zetknięciu się z przedmiotami znajdującymi się na Ziemi może wybuchnąć, czemu towarzyszą zniszczenia i oparzenia; czasami zdarzają się nawet ofiary w ludziach. Istnieją jeszcze liczne hipotetyczne tłumaczenia powstawania błyskawicy kulistej. Możliwe, że powstaje ona w rozżarzonym powietrzu kanału zwykłej błyskawicy i składa się z nietrwałych połączeń azotu i tlenu, tworzeniu się których towarzyszy pochłanianie dużych ilości ciepła. Przy oziębianiu się do pewnej temperatury krytycznej substancja błyskawicy kulistej nagle rozpada się na tlen i azot z jednoczesnym wydzieleniem całej pochłoniętej energii, co powoduje wybuch. Istnieje mniemanie, że błyskawic kulistych w ogóle nie ma i, że obserwacje, stwierdzające ich istnienie, są niewiarygodne. Pioruny te mogą występować także w postaci prętów, owali, elipsy, dysków, kropli oraz innych chaotycznych brył o zaokrąglonych krawędziach. Niektóre posiadają ogon lub wirują, część wydziela iskry, a z innych wydostają się ogniste języki. Kule mogą być otoczone aureolką, dymem, płomieniem lub wyrzucać z siebie strzały. Ich powierzchnia może być różna - rozmyta i poszarpana, bez wyraźnej granicy lub gładka i ostra o wyraźnych kształtach. Najczęściej występują białe, żółte i bladoniebieskie, ale również mogą być czerwonawe zielone i wielobarwne. Zmiana barwy przebiega zwykle w kolejności: niebieski, biały, żółty, czerwony. Małe słońca nie zawsze zmieniają kolory.

Aż połowa piorunów kulistych wydaje dźwięki Aż połowa piorunów kulistych wydaje dźwięki. Najczęściej jest to zwykłe syczenie, stanowi to połowę wszystkich zjawisk wydających odgłosy, występuje też szum, dźwięk tłuczonego szkła, potrzaskiwanie, silnika odrzutowego, uderzenia młotka w blachę, organów. Ewentualnej eksplozji towarzyszy huk wybuchu. Piorun kulisty wydaje zapach siarki, spalenizny, ozonu, fosforu, siarkowodoru (zapach ścieków), spawania, spalonej sierści. Pioruny kuliste powstają w zamkniętych pomieszczeniach, miejsca wytworzenia się języków ognia są dość ciekawe: kontakt elektryczny, piec, radio lub telewizor, bezpiecznik elektryczny, wyłącznik elektryczny, telefon oraz licznik kilowatogodzin prądu elektrycznego lub grzejnik centralnego ogrzewania. Gdy się porusza może np. stopić kawałek metalu (przewód elektryczny, antena telewizyjna lub kadłub samolotu), zerwać kawał asfaltu, wypalić kilka otworów w ścianie stojącej mu na drodze - to są szkody materialne. Zdarzają się niestety tragiczne przypadki, kiedy to piorun kulisty zabija człowieka. Z wybuchem pioruna kulistego jest jak z petardą. Podczas wybuchu na świeżym powietrzu z reguły nie czyni nikomu szkody (chyba, że popękane bębenki w uszach), ale kiedy eksploduje w zamkniętym pomieszczeniu, może spowodować pewne uszkodzenia (zniszczenie domku letniskowego, rozwalenie budki transformatorowej).

miejsce powstawania wybuch pioruna

Dżety i sprajty

Nowo odkryte zjawiska. Zostały one zaobserwowane przez pilotów latających ponad pułapem chmur burzowych. W przeciwieństwie do znanych nam wyładowań (pioruny) dżety i sprajty strzelają do góry! Dżety to błękitne stożki sięgające 36 km w górę, przemieszczające się z prędkością 100 km/s. Sprajty przypominają zaś swoim wyglądem duże czerwone "meduzy" z zielonymi mackami skierowanymi do dołu. Sięgają wysokości 90 km w górę. Widoczne przy pomocy bardzo czułych kamer. Występują nad wyładowaniami liniowymi, choć nie każde wyładowanie tworzy sprajta.

Literatura: Allaby M., 2002, Niezwykła natura – POGODA, National Geographic, Warszawa Chromow S.P., 1969, Meteorologia i klimatologia, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa http://meteo.ids.pl