Rozpraszanie elastyczne światła na drobinach

Rozpraszanie elastyczne światła na drobinach
Jeszcze raz o zasadzie Huygensa i roli konstruktywnej interferencji Rozpraszanie na obiektach kulistych i teoria Mie Rozpraszanie Rayleigha Dlaczego niebo jest niebieskie, słońce żółte, a zachód bywa czerwony? LIDAR

Rozpraszanie światła Kiedy światło napotyka materię, wzbudza drgania jej cząsteczek i i powoduje wypromieniowanie (wtórnych) fal elektromagnetycznych. Ze zjawiskiem rozpraszania światła związane są też zjawiska dyspersji, interferencji i dyfrakcji. Rozpraszanie światła jest wszędzie obecne. Zachodzi na pojedyńczych cząsteczkach i rozciągłych powierzchniach. Rozpraszanie jest podstawą prawie wszystkich zjawisk fizycznych.

Rozpraszanie światła Fala elektromagnetyczna oddziałując z materią powoduje jej drgania i wypromieniowanie (wtórnych) fal EM: promieniowanie rozproszone. Fale te interferują ze sobą. Wypadkową powierzchnię falową tworzy powierzchnia styczna do wszystkich powierzchni fal cząstkowych i ją właśnie możemy obserwować. Rozpraszanie przez poszczególne cząsteczki jest słabe, ale wiele takich rozproszeń może się dodać, (szczególnie, gdy jest to rozpraszanie spójne i konstruktywne) i dać makroskopowy efekt. Odbicie od porowatych powierzchni (odbicie dyfuzyjne), dyfrakcja, odbicie i załamanie światła można tłumaczyć rozpraszaniem światła (zasada Huyghensa).

Zazwyczaj obserwujemy wynik interferencji wzdłuż jednego, wybranego kierunku, z dala od obiektu.
Dzięki temu możemy zastąpić fale kuliste przez fale płaskie w tym kierunku, co bardzo upraszcza sytuację (podstawa optyki geometrycznej!). Z dala od obiektu rozpraszającego front falowy fal kołowych jest prawie płaski Zazwyczaj spójna, konstruktywna interferencja zachodzi w jednym kierunku, zaś interferencja destruktywna we wszystkich pozostałych!.

Światło rozproszone w wyniku transmisji przez powierzchnię (załamanie)
Podobnie jak dla rozpraszania, wiązka załamana pozostanie fala płaską dla kierunku, dla którego zachodzi konstruktywna interferencja. wiązka padająca wiązka odbita wiązka załamana Konstruktywna interferencja pojawi się dla wiązki przechodzącej spełniającej prawo Snella.

Rozpraszanie niespójne: odbicie od szorstkiej powierzchni
Niezależnie od tego, z którego kierunku patrzymy na powierzchnię, każda fala rozproszona na szorstkiej powierzchni ma różną fazę. Tak więc rozpraszanie jest niespójne; zobaczymy światło docierające z wielu kierunków. Rozpraszanie spójne zazwyczaj związane jest z jednym, lub kilkoma dobrze określonymi kierunkami; rozpraszanie niespójne odbywa się w wielu kierunkach.

Wiązka światła w próżni jest niewidoczna
Jeśli patrzymy na wiązkę światła, która rozchodzi się w czystym powietrzu, na ogół jej nie widzimy. Związane jest to z faktem, że powietrze stanowi ośrodek bardzo rozrzedzony (N jest względnie małe), cząsteczki powietrza rozpraszają niespójnie i mają niewielkie zdolności rozpraszające. To oko prawie nie widzi światła To oko jest oślepione (nie rób tak !!!) Aby zrobić zdjęcie wiązki laserowej w laboratorium, trzeba nadmuchać zwykle trochę dymu….

Rozpraszanie na obiektach kulistych
Granica dwóch ośrodków n1 n2 W niektórych kierunkach zajdzie interferencja konstruktywna, w innych zaś interferencja destruktywna: prążki interferncyjne.

Elastyczne rozpraszanie na kulkach
Teoria Mie Opis rozpraszania elastycznego pola elektromagnetycznego na jednorodnej kulce o dowolnych właściwościach optycznych i rozmiarze

Teoria Mie Całkowite pole w obecności obiektu rozpraszającego jest sumą wektorową odpowiednich pól padających i rozproszonych Ei Ein out in Wewnątrz: pole fali „załamanej” Na zewnątrz: fala padająca: pole fali płaskiej pole fali rozproszonej Podział pól na pole padające i rozproszone jest czysto matematyczną procedurą.

Teoria Mie Przy braku zewnętrznych ładunków i prądów poszukujemy pól harmonicznych wewnątrz: i na zewnątrz kuleczki: które spełniają: równania Maxwella + warunki graniczne pole fali „załamanej” fala padająca: pole fali płaskiej pole fali rozproszonej in out Ein Ei

Teoria Mie Opis rozpraszania Mie (klasyczna elektrodynamika!) polega na obliczeniu różnicy między tymi polami w funkcji parametrów charakteryzujących obiekt rozpraszający. Pole Ei nie jest modyfikowane! MieMitchenko.pdf

Teoria Mie Gustaw Mie, 1908 Równania Maxwella z warunkami brzegowymi na powierzchni kuli pole elektromagnetyczne fali płaskiej padające na cząstkę, pole rozproszone na kulce (na zewnątrz kulki) - poszukiwane pole załamane w jej wnętrzu. Rozwiązania pozwalają znaleźć wielości mierzone: natężenie światła rozproszonego w danym kierunku całkowite przekroje czynne na absorpcję i rozpraszanie: out in q f R y z x W roku 1908 Gustaw Mie opublikował rozwiązania równań Maxwella z warunkami brzegowymi na powierzchni kuli. Rozwiązania te pozwalają znaleźć między innymi natężenie światła rozproszonego w danym kierunku oraz całkowite przekroje czynne na absorpcję i rozpraszanie dla cząstki sferycznej w funkcji: promienia długość fali padającej funkcja dielektrycznej (zespolony współczynnik załamania) kulki i jej otoczenia To właśnie Mie pokazał, że o spektakularności barw zawiesin cząstek metalowych o promieniu powyżej dziesiątków nanometrów decyduje elastyczne rozpraszanie wyróżniające pewne długości fal światła rozpraszanego, a nie absorpcja, jak to ma miejsce dla „zwykłych” cząsteczek barwnikowych. Rozwiązania Mie nie straciły swej ogromnej wartości do dnia dzisiejszego. σekstynkcja = σabsorpcja + σrozpraszanie Parametry zewnętrzne: promień kulki długość fali padającej funkcja dielektryczna (zespolony współczynnik załamania) kulki i jej otoczenia

Teoria Mie Gustaw Mie, 1908 Równania Maxwella z warunkami brzegowymi na powierzchni kuli pole elektromagnetyczne fali płaskiej padające na cząstkę, pole rozproszone na kulce (na zewnątrz kulki) - poszukiwane pole załamane w jej wnętrzu. Rozwiązania pozwalają znaleźć wielości mierzone: natężenie światła rozproszonego w danym kierunku całkowite przekroje czynne na absorpcję i rozpraszanie: out in q f R y z x W roku 1908 Gustaw Mie opublikował rozwiązania równań Maxwella z warunkami brzegowymi na powierzchni kuli. Rozwiązania te pozwalają znaleźć między innymi natężenie światła rozproszonego w danym kierunku oraz całkowite przekroje czynne na absorpcję i rozpraszanie dla cząstki sferycznej w funkcji: promienia długość fali padającej funkcja dielektrycznej (zespolony współczynnik załamania) kulki i jej otoczenia To właśnie Mie pokazał, że o spektakularności barw zawiesin cząstek metalowych o promieniu powyżej dziesiątków nanometrów decyduje elastyczne rozpraszanie wyróżniające pewne długości fal światła rozpraszanego, a nie absorpcja, jak to ma miejsce dla „zwykłych” cząsteczek barwnikowych. Rozwiązania Mie nie straciły swej ogromnej wartości do dnia dzisiejszego. σekstynkcja = σabsorpcja + σrozpraszanie Rozwiązania Mie zależą od „parametru rozmiaru” (dla ustalonego współczynnika załamania kulki i jej otoczenia):

Teoria Mie Całkowite przekroje czynne na absorpcję, rozpraszanie i ekstynkcję na nanokulce złota, nout=1,5 w funkcji częstości W roku 1908 Gustaw Mie opublikował rozwiązania równań Maxwella z warunkami brzegowymi na powierzchni kuli. Rozwiązania te pozwalają znaleźć między innymi natężenie światła rozproszonego w danym kierunku oraz całkowite przekroje czynne na absorpcję i rozpraszanie dla cząstki sferycznej w funkcji: promienia długość fali padającej funkcja dielektrycznej (zespolony współczynnik załamania) kulki i jej otoczenia To właśnie Mie pokazał, że o spektakularności barw zawiesin cząstek metalowych o promieniu powyżej dziesiątków nanometrów decyduje elastyczne rozpraszanie wyróżniające pewne długości fal światła rozpraszanego, a nie absorpcja, jak to ma miejsce dla „zwykłych” cząsteczek barwnikowych. Rozwiązania Mie nie straciły swej ogromnej wartości do dnia dzisiejszego.

(dla doktorantów optyki)
Zadanie do domu (dla doktorantów optyki) Przedyskutuj poprawność stosowalności prawa Beera w zawiesinie zawierającej nanokulki.

Rozpraszanie na obiektach kulistych
Teoria Mie Zależność od rozmiaru: Zawiesina sferycznych cząstek złota w wodzie, oświetlenie światłem białym:  = 150, 100, 80, 60, 40, 20 nm z tyłu: z przodu: Mimo bardzo niskiej koncentracji (< 10−2 % wagowych), kolory są bardzo wyraziste i silnie zależą od rozmiaru. Różnice kolorów przy oświetleniu „z tyłu” i „z przodu” przy tej samej wielkości cząstek wskazują, że barwy nie są prostym dopełnieniem barw absorbowanych, tak jak by to było dla cząsteczek barwników (np. o barwie światła transmitowanego decydowałoby, która barwa została pochłonięta (absorbcja)). Jedną z najbardziej interesujących cech cząstek nanometrowych jest zależność ich właściwości optycznych od rozmiaru. Mimo skrajnie niskiej koncentracji kuleczek złota w wodzie, kolory są bardzo wyraziste i silnie zależą od rozmiaru. Różnice kolorów przy oświetleniu „z tyłu” i „z przodu” przy tej samej wielkości cząstek wskazują, że barwy nie są prostym dopełnieniem barw absorbowanych, zgodnie z przewidywaniami teorii Mie. Teoria Mie: O spektakularności barw zawiesin cząstek metalowych o R10nm decyduje elastyczne rozpraszanie, a nie absorpcja, jak to ma miejsce dla (malutkich) cząsteczek barwnikowych

Teoria Mie

Rysunki różnią się jedynie skalą radialną.
Elastyczne rozpraszanie na kulkach Teoria Mie Zależność od kąta rozpraszania i geometrii polaryzacyjnej: Rozkład kątowy natężenia światła (λ=488nm) rozproszonego przez cząstkę kulistą (R=600nm) dla polaryzacji: równoległej (linia czerwona) i prostopadłej (linia niebieska) do płaszczyzny rozpraszania oraz dla światła niespolaryzowanego (linia czarna). Rysunki różnią się jedynie skalą radialną. cząstka „duża”:

Rysunki różnią się jedynie skalą radialną.
Elastyczne rozpraszanie na kulkach Teoria Mie Zależność od kąta rozpraszania i geometrii polaryzacyjnej: Rozkład kątowy natężenia światła (λ=488nm) rozproszonego przez cząstkę (R=30nm) zgodnie z teorią Mie (bez przybliżeń) dla polaryzacji: równoległej (linia czerwona) i prostopadłej (linia niebieska) do płaszczyzny rozpraszania oraz dla światła niespolaryzowanego (linia czarna). cząstka „mała”: Rozkład kątowy natężenia światła (λ=488nm) rozproszonego przez cząstkę kulistą (R=600nm) dla polaryzacji: równoległej (linia czerwona) i prostopadłej (linia niebieska) do płaszczyzny rozpraszania oraz dla światła niespolaryzowanego (linia czarna). Rysunki różnią się jedynie skalą radialną. cząstka „duża”:

Teoria Mie Zależność od geometrii polaryzacyjnej i kąta rozpraszania: out in q f R y z x polaryzacja p: polaryzacja s: Natężenia światła rozproszonego w okolicy kąta prostego dla polaryzacji równoległej i prostopadłej do płaszczyzny rozpraszania w funkcji kąta θ dla cząstek wody (R =2000 nm, =488 nm)

Teoria Mie a przybliżenie Rayleigha
Jeśli cząstka rozpraszająca jest dużo mniejsza niż długość fali rozpraszanej: R<< natężenie światła rozpraszanego elastycznie obliczone w ramach teorii Mie odpowiada wynikowi opisu rozpraszania Rayleigha (opis dla cząstek nieabsorbujących, jednowymiarowych, zawyżone rozpraszanie dla barwy niebieskiej niż czerwonej)). Przybliżenie Rayleigha rozpraszanie światła na cząsteczkach o rozmiarach mniejszych od długości fali światła rozpraszanego w przejrzystych ciałach stałych i cieczach i gazach. Cząsteczki traktowane są jako dipole (jednowymiarowe), które pod wpływem padającej na nie niespolaryzowanej fali elektromagnetycznej są pobudzane do drgań i wypromieniowują energię w kierunku zależnym od kierunku osi dipola

Elastyczne rozpraszanie światła
Przybliżenie Rayleigha a teoria Mie

Przybliżenie Rayleigha PRAWO RAYLEIGHA: Natężenie promieniowania rozproszonego: Jeśli promieniowanie padające jest spektralnie złożone, (składa się z fal o różnych długościach), możemy oczekiwać, że promieniowanie o mniejszych długościach fali ulegnie rozproszeniu w większym stopniu, niż promieniowanie bardziej długofalowe. Nie jest więc prawdą, że „czyste” gazy (powietrze) nie rozpraszają światła ! ! !

Przybliżenie Rayleigha dla cząsteczek:  -polaryzowalność czasteczki gdzie: R - odległość do cząstki, θ - kąt rozproszenia, n - współczynnik załamania światła materiału cząstki, d - średnica cząstki. Wnioski: rozproszenie światła zależy silnie od długości fali świetlnej (w przybliżeniu 4 potędze, o ile n słabo zależy ), światło jest rozpraszane we wszystkich kierunkach, występująca zależność od kąta rozproszenia jest niewielka, światło rozproszenie w przód, ma takie samo natężenie jak światło rozproszone wstecz.

Następny wykład odbędzie się 11 stycznia 2010r
Konsultacje odbędą się 25 stycznia 2008r. (czwartek) w pokoju 4, budynek VIII (lub w sali wykładowej). Egzamin Na egzamin w terminie „zerowym” zapisywać się można po wykładzie 11 stycznia 2010r, lub w pokoju 4, budynek VIII.

Rozpraszanie elastyczne w atmosferze ziemskiej
Kiedy obserwujemy nasze otoczenie, zwykle nie zwracamy uwagi na zjawiska, do których przywykliśmy: Niebieski kolor odległych przedmiotów Błękitny kolor nieba Żółty kolor słońca Czerwony kolor zachodu Kiedy obserwujemy nasze otoczenie, zwykle nie zwracamy uwagi na zjawiska, do ktÛrych przywykli±my. Niebieski kolor odleg™ych obiektÛw, b™¶kitny kolor nieba czy czerwony kolor zachodz°cego s™o´ca s° dla nas naturalne. Tak naturalne, ªe nie zastanawiamy si¶ nawet nad ich z™oªono±ci°. Fotografia na pierwszej stronie ok™adki przedstawia Wielki Kanion { widzimy, jak kolejne szczyty staj° si¶ coraz bardziej niebieskie. Mi¶dzy innymi ten w™a±nie efekt wykorzystujemy do oceny odleg™o±ci do bardzo odleg™ych obiektÛw..

Niebieski kolor odległych obiektów:
Widzimy, jak kolejne szczyty staj° si¶ coraz bardziej niebieskie..

Niebieski kolor odległych obiektów:
Grand Canion

Niebieski kolor nieba:
Tatry Zachodnie Na tym zdj¶ciu widzimy takªe podobie´stwo mi¶dzy niebieskim kolorem odległych gór i niebiesk° barw° nieba. I to podobie´stwo nie jest przypadkowe.

Błękitny Kolor nieba powstaje wskutek Rayleighowskiego rozpraszania światła słonecznego na czasteczkach powietrza. Sa one dużo mniejszcz niż . Gdy światło przechodzi przez atmosferę, wówczas jest ono absorbowane i rozpraszane we wszystkich kierunkach przez występujące tam gazy i drobne cząsteczki. Błękitne światło jest rozpraszane dużo bardziej niż pozostałe barwy światła ponieważ fale świetlne tej barwy są krótsze. Rozproszona błękitna barwa fali świetlnej promieniuje w różnych kierunkach. Powoduje to powstanie barwy błękitnej na całym niebie. Dlatego w którymkolwiek kierunku obserwator spogląda na niebo jest ono błękitne

Rozpraszanie światła na cząsteczkach powietrz można opisać w przybliżeniu Rayleigha (są one dużo mniejszcz niż ). Gdy światło przechodzi przez atmosferę, jest rozpraszane we wszystkich kierunkach. Niebieskie światło rozpraszane jest bardziej intensywnie niż pozostałe barwy, gdyż jego długość fali jest krótsza. Barwa niebieska rozproszona w różnych kierunkach ulega ponownemu rozproszeniu. Dlatego w którymkolwiek kierunku obserwator spogląda na niebo jest ono błękitne Błękitny Kolor nieba powstaje wskutek Rayleighowskiego rozpraszania światła słonecznego na czasteczkach powietrza. Sa one dużo mniejszcz niż . Gdy światło przechodzi przez atmosferę, wówczas jest ono absorbowane i rozpraszane we wszystkich kierunkach przez występujące tam gazy i drobne cząsteczki. Błękitne światło jest rozpraszane dużo bardziej niż pozostałe barwy światła ponieważ fale świetlne tej barwy są krótsze. Rozproszona błękitna barwa fali świetlnej promieniuje w różnych kierunkach. Powoduje to powstanie barwy błękitnej na całym niebie. Dlatego w którymkolwiek kierunku obserwator spogląda na niebo jest ono błękitne "The traditional way that people teach this subject is that sunlight is scattered -- more so for shorter wavelengths than for longer ones," says Glenn Smith, an engineering professor at Georgia Tech. "The other half of the explanation is usually left out: how your eye perceives this spectrum." Each cone contains pigments that restrict the range of wavelengths that the cone responds to. There are three varieties of cones for long, medium and short wavelengths. "You need all three of them to see color correctly," Smith explained. The peak response for the long cones is at 570 nanometers (yellow), medium at 543 nanometers (green), and short at 442 nanometers (between violet and blue). But the three cones are sensitive over broad, overlapping wavelength ranges, which means two different spectra can cause the same response in a set of various cones. A good example of this is yellow. There is a certain narrow range of wavelengths that we might call "pure" yellow (or another for "pure" blue, and so on). However, the same set of cones that reacts to a light of pure yellow also responds to the superposition of pure red and pure green light. Two spectra that have the same cone response are called metamers. The same "trick" that makes red and green turn into yellow is happening in the sky. But in this case, the sky's combination of violet and blue elicits the same cone response as pure blue plus white light, which is an equal mixture of all the colors. "Your eye can't tell the difference between that complex spectrum and one that is a mixture of pure blue and white," Smith said. In other animals, the sky color is undoubtedly different. Outside of humans and some other primates, most animals have only two types of cones instead of three (dichromatic vs. trichromatic).

Dlaczego niebo nie jest fioletowe? Z analizy spektralnej wynika, że niebieska i fioletowa barwa nieba mają zbliżone natężenia. Błękitny Kolor nieba powstaje wskutek Rayleighowskiego rozpraszania światła słonecznego na czasteczkach powietrza. Sa one dużo mniejszcz niż . Gdy światło przechodzi przez atmosferę, wówczas jest ono absorbowane i rozpraszane we wszystkich kierunkach przez występujące tam gazy i drobne cząsteczki. Błękitne światło jest rozpraszane dużo bardziej niż pozostałe barwy światła ponieważ fale świetlne tej barwy są krótsze. Rozproszona błękitna barwa fali świetlnej promieniuje w różnych kierunkach. Powoduje to powstanie barwy błękitnej na całym niebie. Dlatego w którymkolwiek kierunku obserwator spogląda na niebo jest ono błękitne "The traditional way that people teach this subject is that sunlight is scattered -- more so for shorter wavelengths than for longer ones," says Glenn Smith, an engineering professor at Georgia Tech. "The other half of the explanation is usually left out: how your eye perceives this spectrum." Each cone contains pigments that restrict the range of wavelengths that the cone responds to. There are three varieties of cones for long, medium and short wavelengths. "You need all three of them to see color correctly," Smith explained. The peak response for the long cones is at 570 nanometers (yellow), medium at 543 nanometers (green), and short at 442 nanometers (between violet and blue). But the three cones are sensitive over broad, overlapping wavelength ranges, which means two different spectra can cause the same response in a set of various cones. A good example of this is yellow. There is a certain narrow range of wavelengths that we might call "pure" yellow (or another for "pure" blue, and so on). However, the same set of cones that reacts to a light of pure yellow also responds to the superposition of pure red and pure green light. Two spectra that have the same cone response are called metamers. The same "trick" that makes red and green turn into yellow is happening in the sky. But in this case, the sky's combination of violet and blue elicits the same cone response as pure blue plus white light, which is an equal mixture of all the colors. "Your eye can't tell the difference between that complex spectrum and one that is a mixture of pure blue and white," Smith said. In other animals, the sky color is undoubtedly different. Outside of humans and some other primates, most animals have only two types of cones instead of three (dichromatic vs. trichromatic).

Siatkówka oka ludzkiego
Preciki Czopki Siatkówka jest stosem kilku warstw neuronalnych. W skład siatkówki wchodzą komórki receptorowe: czopki i pręciki. Pręciki są wrażliwe na natężenie światła, pozwalają na widzenie czarno-białe, jest ich dużo w częściach peryferyjnych siatkówki. Czopki skupione w centralnej części siatkówki (w plamce żółtej 180,000 /mm2) i odpowiadają za widzenie barwne. Zawierają trzy barwniki wrażliwe na światło niebieskie, zielone i czerwone. Images and text courtesy of the NDT Resource Center Cones are highly concentrated in a region near the center of the retina called the fovea. The maximum concentration of cones is roughly 180,000 per mm2 there and the density decreases rapidly outside of the fovea to less than 5,000 per mm2. Note the blind spot caused by the optic nerve, which is void of any photoreceptors.

Dlaczego niebo nie jest fioletowe? Bo taka jest percepcja oka: barwa niebieska i fioletowa powodują pobudzenie tego samego czopka. Jest to więc efekt fizjologiczny (sposób działania naszego oka) a nie fizyczny. Krzywe reakcji dla trzech typów receptorów koloru w oku ludzkim Images and text courtesy of the NDT Resource Center Cones are highly concentrated in a region near the center of the retina called the fovea. The maximum concentration of cones is roughly 180,000 per mm2 there and the density decreases rapidly outside of the fovea to less than 5,000 per mm2. Note the blind spot caused by the optic nerve, which is void of any photoreceptors.

Dlaczego słońce jest żółte?
Widzialne widmo Słońca Światło takie (mimo prążków absorpcyjnych) widzimy jako światło (prawie) białe Każde dziecko wie, że słońce jest żółte.

Dlaczego słońce jest żółte?
Krótsze długości fali są w wyniku rozproszenia usunięte z widma wiązki przechodzącej, dlatego słońce wydaje się być żółte. W przestrzeni kosmicznej słońce jest widziane przez człowieka jest białe, a niebo (to co nad głową?) jest czarne. Światło słoneczne Powietrze Każde dziecko wie, że słońce jest żółte. Cząsteczki powietrza rozpraszają światło z natężeniem proporcjonalnym do w4.

Dlaczego zachód słońca bywa czerwony?
Dlaczego słońce o zachodzie (i o wschodzie) jest pomarańczowe bądź czerwone? Światło przechodzi wtedy przez dłuższą drogę w atmosferze, więc ulega rozproszeniu na cząsteczkach kurzu, kryształkach lodu z chmur itp. Światło zielone, niebieskie i fioletowe bardziej się rozprasza niż czerwone, pomarańczowe i żółte, dlatego te barwy przechodzą przez atmosferę z mniejszymi stratami. Z tego powodu czarne skrzynki samolotów są czerwone, by łatwiej je zauważyć np w mętnej wodzie. Gdy słońce zachodzi, jego światło przechodzi przez większą część atmosfery oświetlając ziemię. Wówczas błękitna barwa światła jest absorbowana i rozpraszana w większej ilości (objętości) gazów i cząsteczek. Pozostałe barwy przechodzą dalej w kierunku ziemi. Przez co jeszcze większa część błękitnego (niebieskiego) światła jest rozpraszana. Wynika z tego wniosek, że im słońce znajduje się dalej od obserwatora, tym barwa nieba wydaje się być ciemniejsza. Gdy powietrze jest zanieczyszczone drobnymi cząsteczkami naturalnie, lub w inny sposób zachód słońca będzie miał barwę czerwoną. Zachody słońca nad morzem mogą przybrać również pomarańczową barwę po przez cząsteczki soli w powietrzu (Rozproszenie Tyndala(Rayleigh’a)). Niebo dookoła słońca posiada barwę czerwoną, podobnie, jak światło pochodzące bezpośrednio od słońca. Dzieje się tak ponieważ światło jest rozpraszane względnie dobrze pod małymi kątami lecz błękitne światło może być rozpraszane wielokrotnie na dłuższym dystansie zostawiając żółte, pomarańczowe i czerwone kolory.

Dlaczego słońce bywa czerwone?
Ziemia Atmosfera Słońce i chmury mogą wydawać się czerwone. Dłuższa droga w atmosferze Dlaczego słońce o zachodzie (i o wschodzie) jest pomarańczowe bądź czerwone? Światło przechodzi wtedy przez dłuższą drogę w atmosferze, więc ulega rozproszeniu na cząsteczkach kurzu, kryształkach lodu z chmur itp. Światło zielone, niebieskie i fioletowe bardziej się rozprasza niż czerwone, pomarańczowe i żółte, dlatego te barwy przechodzą przez atmosferę z mniejszymi stratami. Z tego powodu czarne skrzynki samolotów są czerwone, by łatwiej je zauważyć np w mętnej wodzie. Gdy słońce zachodzi, jego światło przechodzi przez większą część atmosfery oświetlając ziemię. Wówczas błękitna barwa światła jest absorbowana i rozpraszana w większej ilości (objętości) gazów i cząsteczek. Pozostałe barwy przechodzą dalej w kierunku ziemi. Przez co jeszcze większa część błękitnego (niebieskiego) światła jest rozpraszana. Wynika z tego wniosek, że im słońce znajduje się dalej od obserwatora, tym barwa nieba wydaje się być ciemniejsza. Gdy powietrze jest zanieczyszczone drobnymi cząsteczkami naturalnie, lub w inny sposób zachód słońca będzie miał barwę czerwoną. Zachody słońca nad morzem mogą przybrać również pomarańczową barwę po przez cząsteczki soli w powietrzu (Rozproszenie Tyndala(Rayleigh’a)). Niebo dookoła słońca posiada barwę czerwoną, podobnie, jak światło pochodzące bezpośrednio od słońca. Dzieje się tak ponieważ światło jest rozpraszane względnie dobrze pod małymi kątami lecz błękitne światło może być rozpraszane wielokrotnie na dłuższym dystansie zostawiając żółte, pomarańczowe i czerwone kolory. Gdy powietrze jest bardzo czyste (rozpraszanie na malutkich cząsteczkach powietrza: azotu, 20,95% tlenu, 0,93% argonu), zachód słońca będzie wydawać się żółty: światło pochodzące od słońca przebywa dużą odległość przez powietrze i istotna część rozpraszania na barwie niebieskiej zachodzi z dala. Gdy Słońce leży nisko nad horyzontem, jego promienie pokonują dosyć długą drogę w atmosferze (na ogół zanieczyszczonej). Widmo światła ulega przesunięciu w kierunku niższych częstości (ku czerwieni) w skutek wydajniejszego rozproszenia na cząsteczkach aerosoli i innych zanieczyszczeń, kryształkach lodu z chmur itp.). Im więcej zanieczyszczeń, tym barwa ciemniejsza.

Dlaczego zachód słońca bywa czerwony?
Światło zielone, niebieskie i fioletowe rozprasza się bardziej na zanieczyszczeniach, niż czerwone, pomarańczowe i żółte Chmury też mogą wydawać się czerwone. Gdy słońce zachodzi, jego światło przechodzi przez większą część atmosfery oświetlając ziemię. Wówczas błękitna barwa światła jest absorbowana i rozpraszana w większej ilości (objętości) gazów i cząsteczek. Pozostałe barwy przechodzą dalej w kierunku ziemi. Przez co jeszcze większa część błękitnego (niebieskiego) światła jest rozpraszana. Wynika z tego wniosek, że im słońce znajduje się dalej od obserwatora, tym barwa nieba wydaje się być ciemniejsza. Gdy powietrze jest czyste zachód słońca będzie wydawać się żółty ponieważ światło pochodzące od słońca pokonuje dużą odległość przez powietrze i część błękitnego światła jest rozpraszana z dala. Gdy powietrze jest zanieczyszczone drobnymi cząsteczkami naturalnie, lub w inny sposób zachód słońca będzie miał barwę czerwoną. Zachody słońca nad morzem mogą przybrać również pomarańczową barwę po przez cząsteczki soli w powietrzu (Rozproszenie Tyndala(Rayleigh’a)). Niebo dookoła słońca posiada barwę czerwoną, podobnie, jak światło pochodzące bezpośrednio od słońca. Dzieje się tak ponieważ światło jest rozpraszane względnie dobrze pod małymi kątami lecz błękitne światło może być rozpraszane wielokrotnie na dłuższym dystansie zostawiając żółte, pomarańczowe i czerwone kolory. Gdy powietrze jest zanieczyszczone drobnymi cząsteczkami, widmo światła rozproszonego ulega przesunięciu w kierunku niższych częstości (ku czerwieni). Im więcej zanieczyszczeń, tym barwa ciemniejsza.

Rozpraszanie Rayleigha w atmosferze

Rozpraszanie Rayleigha w atmosferze
Rozpraszanie Rayleigha po zachodzie słońca. Zdjęcie wykonane po godzinie od zachodu słońca na wysokości 500m w kierunku, w którym zaszło słońce.

Znajomość opisu rozpraszania:
Fizyka atmosfery Diagnostyka rozmiaru cząstek i drobin

LIDAR LIDAR jest akronimem angielskiej nazwy Light Detection And Ranging i jest oczywiscie podobne do słowa RADAR będącego akronimem nazwy Radio Detection And Ranging. Podobieństwo dotyczy zresztą nie tylko nazw - obydwa urządzenia pracują na podobnej zasadzie. Budowa: Lidar składa się z: 1. lasera impulsowego generującego krótkie i silne impulsy światła o wybranych długościach fali, 2. układu optycznego pozwalającego kierować światło lasera w wybranym kierunku, 3. teleskopu (Newtona) zbierającego światło laserowe rozproszone do tylu, 4. detektora promieniowania rejestrującego natężenie światła rozproszonego, 5. układu elektronicznego synchronizującego pomiary, 6. komputera sterującego całością. W lidarach stosowane są lasery impulsowe wytwarzające impulsy światła o czasie trwania około dziesięciu nanosekund ( nano = ). Są to więc "paczki" światła o wymiarach pocisku artyleryjskiego pędzące wzdłuż linii prostej z prędkością światła. Z każdego miejsca wzdłuż drogi tego "pocisku świetlnego" część światła jest rozpraszana we wszystkie strony, a więc i do tyłu. Światło rozproszone do tylu zbierane jest za pomocą teleskopu, a jego natężenie mierzy się używając odpowiedniego detektora promieniowania (fotopowielacz lub fotodioda). Pomiar czasu jaki upłynął od chwili wysłania impulsu laserowego do chwili zarejestrowania impulsu światła rozproszonego do tyłu (sygnału) pozwala wyznaczyć położenie źródła rozpraszającego światło laserowe w przestrzeni. Natężenie zmierzonego sygnału jest proporcjonalne do koncentracji czynnika powodującego rozpraszanie.

LIDAR Zalety lidarów są dość oczywiste. Można za ich pomocą zdalnie mierzyć koncentracje składników (w tym zanieczyszczeń) powietrza. Pozwalają one także prowadzić "lotne" kontrole składu dymów kominowych. Lidary mają też swoje wady i ograniczenia: Zasięg lidarów jest nieduży w stosunku do typowych potrzeb monitorowania stanu atmosfery. Stosowalność lidaru zależna jest w dużym stopniu od pogody, Lidar nie może działać w czasie zbyt gęstej mgły lub deszczu. Selektywne wykrywanie zanieczyszczeń za pomocą techniki DIAL. W górnej części rysunku przedstawiono bieg dwu wiązek laserowych o długościach fal l on i l off, które napotykały na swej drodze zanieczyszczenia -- smugi nad kominami A i B. Smuga nad kominem B zawiera dodatkowo (w porównaniu ze smugą A) zanieczyszczenie (np. S02), którego molekuły absorbują rezonansowo fale o długości l on. Na wykresie w dolnej części rysunku przedstawiono zależność sygnału (natężenia) od czasu (odległości obszaru rozpraszającego) dla światła o długości l on (linia ciągła) oraz l off (linia przerywana). W obszarze, aż do smugi B obie krzywe pokrywają się, ale w smudze nad kominem B natężenie światła o długości l on jest mniejsze niż dla l off (krzywa przerywana biegnie w tym obszarze wyraźnie pod krzywą ciągłą). Długość fali pierwszego lasera l on jest tak dobrana aby energia fotonów odpowiadała energii oscylacji molekuły S02. Ta wiązka laserowa będzie pochłaniana w tym obszarze przez te właśnie molekuły i rozpraszana przez pozostałe zanieczyszczenia. Długość fali drugiego lasera l off, niewiele różniąca się od l on, nie jest pochłaniana przez molekuły S02 a przez pozostałe zanieczyszczenia jest ropraszana tak samo jak l off. Obydwie wiązki laserowe biegną tą samą drogą i są rozpraszane szczególnie dobrze w obszarach zanieczyszczeń (maksima na obu krzywych w obszarach nad kominami). Na całej swej drodze są rozpraszane tak samo przez wszystkie czynniki powodujące rozpraszanie światła (pyły, niejednorodności gęstości powietrza) z wyjątkiem obszarów, w których pojawi się S02. Tam fotony o długości l on są częściowo absorbowane, nie mogą się więc pojawić w wiązce światła rozproszonego w kierunku detektora lidaru. Właśnie z tego powodu strumień światła o tej długości fali będzie miał w tym obszarze mniejsze natężenie, co jest widoczne na krzywej w dolnej części Rys.3 w obszarze B. Efekt ten widoczny jest na krzywych, przedstawiających wyniki pomiarów stężenia S02 w obszrze badanym za pomocą lidara dostrojonego do wykrywania tego zanieczyszczenia (spadek natężenia na krzywej n e(R,l on) (Rys.4a). Pomiar natężenia sygnału rozpoczyna się z pewnym opóźnieniem związanym głównie z ograniczeniami układu elektronicznego. Jak widać na Rys.4, natężenie rozproszonego światła dość szybko maleje. Spowodowane jest to tym, że z odległością maleje natężenie impulsu laserowego (światło jest rozpraszane po drodze) oraz rośnie odległość obszaru rozpraszania od teleskopu zbierającego światło. Podsumowując można zatem powiedzieć, że: 1. Wzrost sygnału świadczy zawsze o szczególnie dużej lokalnej koncentracji różnych zanieczyszczeń (maksyma na schematycznym wykresie Rys.3). 2. Względne obniżenie sygnału lasera l on w stosunku do l off, świadczy o rezonansowym oddziaływaniu fotonów lasera z molekułami zanieczyszczenia, którego koncentrację chcemy wyznaczyć (Rys.3 oraz Rys.4).

Dziękuję za uwagę

Rozpraszanie elastyczne światła na drobinach

Podobne prezentacje

Prezentacja na temat: "Rozpraszanie elastyczne światła na drobinach"— Zapis prezentacji:

Podobne prezentacje

О projekcie

Zwrotny adres

Wejść

Zaloguj się poprzez sieć społeczną:

Rozpraszanie elastyczne światła na drobinach

Podobne prezentacje

Prezentacja na temat: "Rozpraszanie elastyczne światła na drobinach"— Zapis prezentacji:

Podobne prezentacje

О projekcie

Zwrotny adres