ZJAWISKA OPTYCZNE W ATMOSFERZE

Transkrypt

1 ZJAWISKA OPTYCZNE W ATMOSFERZE Małgorzata Kleiner Zjawiskiem optycznym nazywamy każde zjawisko dotyczące oddziaływania światła z materią. Szczególnie ciekawe są efekty towarzyszące przechodzeniu światła przez atmosferę ziemską. Omówimy tutaj najważniejsze z nich. Tęcza Tęczę obserwujemy po deszczu na niebie po stronie przeciwnej niż Słońce, przy czym musi się ono znajdować stosunkowo nisko nad horyzontem. Tęcza powstaje w wyniku załamania, całkowitego wewnętrznego odbicia i rozszczepienia światła białego w kroplach deszczu. W tym przypadku krople deszczu zachowują się podobnie jak pryzmaty. Tęcza tworzy łuk barwny o promieniu 420, składający się z podstawowych barw; od wewnątrz jest czerwień, a na zewnątrz fiolet. Warto wspomnieć, że pierwsze wyjaśnienie zjawiska tęczy zawdzięczamy Kartezjuszowi. Dokładny zaś opis tego zjawiska podał Newton. Niektórzy mieli szczęście zobaczyć także tęczę wtórną (tęczę drugiego rzędu). Nad tęczą główną w pewnej odległości (łuk o promieniu 510) pojawia się druga tęcza, w której kolory są odwrócone w stosunku do tęczy podstawowej. Powstaje ona w wyniku dwukrotnego całkowitego wewnętrznego odbicia i rozszczepienia światła w kroplach deszczu o odpowiedniej wielkości. Niebo między tęczami jest ciemniejsze od nieba poza nimi ten ciemniejszy obszar został nazwany pasem Aleksandra (od imienia uczonego, który pierwszy raz opisał to zjawisko). Tęczę możemy obserwować również w pyle wodnym wytworzonym przez wodospady czy fontanny. W specyficznych warunkach można zobaczyć także tęczę księżycową, powstającą w świetle pochodzącym od Księżyca. Ponieważ rozdzielczość ludzkiego oka przy słabym oświetleniu jest mała i człowiek źle rozróżnia wtedy kolory, tęcza księżycowa jest zwykle widziana jako białawy łuk. Aparat z długim czasem naświetlania radzi sobie jednak doskonale. Zjawisko to można podziwiać tylko w kilku miejscach na Ziemi. Najbardziej znane są: wodospad w Parku Narodowym Yosemite w Kalifornii, wodospady Virginia na granicy Zambii i Zimbabwe oraz wodospad Cumberland (Mała Niagara) w Kentucky w USA. Najlepsze warunki do obserwacji są podczas pełni Księżyca wtedy od jego powierzchni odbija się w kierunku Ziemi najwięcej promieni. Zorza polarna Zorza to jedno z najpiękniejszych zjawisk na niebie. Przypomina pokaz laserowy. Najczęściej obserwujemy je na dużych szerokościach geograficznych blisko biegunów. Emitowane przez Słońce cząstki o bardzo dużej energii (głównie elektrony i protony) tzw. wiatr słoneczny zderzają się z atmosferą ziemską. Pobudzone tym bombardowaniem cząsteczki gazu w jonosferze (głównie tlenu i azotu) emitują promieniowanie świetlne. Własności ziemskiego pola magnetycznego sprawiają, że cząstki emitowane przez Słońce wnikają w atmosferę głównie w rejonach biegunów magnetycznych Ziemi. Przedstawiony wyżej opis zjawiska jest mocno uproszczony. Naukowcy wciąż pracują nad dokładnym jego wyjaśnieniem, w szczególności skąd biorą się tak rozmaite kształty. Najczęściej obserwuje się pasma, wstęgi, łuki, kurtyny, promienie i korony. Wiadomo, że kolor zorzy zależy od wysokości, na której następuje wzbudzenie atomów, i od rodzaju gazu. Kolory różowoczerwone i zielone pochodzą od tlenu, purpurowobordowe od azotu, niebieskofioletowe od wodoru i helu. Najczęściej zorze widzimy w strefie podbiegunowej, ale przy zwiększonej aktywności Słońca pojawiają się także w innych szerokościach geograficznych. Coraz częściej można je zaobserwować w Polsce, choć nie są tak piękne i intensywnie zabarwione jak w okolicach biegunów. strona 1

2 Meteory Meteor 1 to świecąca materia powstająca w czasie spalania się w jonosferze drobin materii kosmicznej. Jeżeli meteoroid 2 (bryłka materii o rozmiarach od ułamka milimetra do kilku metrów) wpadnie w atmosferę ziemską (zwykle z prędkością km/s), to już na wysokości ok. 100 km (w jonosferze) rozgrzewa się do tak wysokiej temperatury, że zaczyna świecić. Świecą też produkty spalania materii meteorytowej, a także rozgrzane do wysokiej temperatury (rzędu tysięcy stopni) cząsteczki gazu jonosferycznego. Większe meteory to bolidy 3, które przyjmują kształt świetlistej kuli. Piorun kulisty Jest to zjawisko bardzo rzadkie. Przemieszcza się jako świecąca kula lub elipsoida, ale zdarzają się też kształty nieregularne. Piorun często ma ogon, czasami wydostają się z niego iskry lub ogniste języki. Występuje przeważnie podczas burzy, ale istniały przypadki pojawiania się tego zjawiska przy ładnej pogodzie. Czas jego trwania waha się od kilku do kilkudziesięciu sekund. Najdziwniejszy jest sposób, w jaki się porusza. Piorun kulisty najczęściej leci poziomo nad powierzchnią ziemi z prędkością kilku metrów na sekundę. Nagle i przypadkowo zmienia kierunki. Bywa jednak, że zastyga na krótki czas w miejscu. Może też wirować. Najpopularniejsze są pioruny białe, żółte i bladoniebieskie, ale zdarzają się również inne kolory. Barwa może też zmieniać się w czasie. Różne źródła podają różne rozmiary piorunów najmniejsze miały średnicę kilku centymetrów, największe około 2 metrów. Zjawisku towarzyszą zapachy (najczęściej porównywane do zapachów spalonej sierści, ozonu, fosforu czy siarkowodoru), a często także dźwięki (np. syk, szum, trzaski). Przemieszczający się piorun kulisty może spowodować szkody materialne, np. stopić kawałek metalu, zerwać jakieś elementy, wypalić dziury w drzwiach lub ścianach. Najwięcej szkód powstaje wtedy, gdy piorun wybucha w pomieszczeniu zamkniętym. Według relacji świadków pioruny kuliste dostają się do domów głównie przez otwarte okna lub drzwi, ale mogą też przedostać się przez przewody kominowe czy szparę pod drzwiami. Po jego przejściu blisko człowieka notowano np. chwilowe ogłuszenia, lekkie oparzenia, krótkotrwały paraliż, ale były też niestety ofiary śmiertelne. W przypadku zauważenia pioruna kulistego zaleca się, by powoli zejść z jego drogi, a jeśli się nie da, należy osłonić czymś swoje ciało, najlepiej izolatorem. Nie wolno wykonywać żadnych gwałtownych ruchów, by nie doprowadzić do wybuchu. Do tej pory naukowcom nie udało się wyjaśnić mechanizmu powstawania tego zjawiska. Raczej nie mają wątpliwości, że jest to rodzaj wyładowania elektrycznego. Najbardziej prawdopodobna teoria głosi, że podczas uderzeń prawdziwego pioruna w skorupę ziemską unoszą się potem w powietrzu opary krzemu (w kształcie pierścienia, potem kuli). Wchodzą one w reakcję z tlenem, a przy ich spalaniu jest emitowane światło. Naukowcom udało się w laboratoriach wygenerować w sposób sztuczny zjawiska podobne do pioruna kulistego, co potwierdzałoby powyższą teorię. Istnieją też inne teorie, np. że piorun kulisty to zjawisko chemiluminescencyjne, a może to kula plazmy czy płonącej substancji. 4 Są też teorie, że pioruny kuliste naprawdę... nie istnieją. Stwierdzono, że gdy mózg człowieka jest w odpowiedni sposób pobudzany polem elektromagnetycznym, pojawiają się halucynacje polegające na obserwowaniu kul światła. Zmieniając parametry pola, można wywołać wrażenie, że kule te się poruszają. W naturze takie oddziaływania mogłyby powstać na skutek powtarzających się wyładowań. Są też prace wykazujące, że takie 1 Z grec. meteoros napowietrzny stąd nazwa meteorologia. 2 Bryła meteoroidu, która spadła na ziemię, nazywa się meteorytem. 3 Z grec. bolidos pocisk, grot. 4 Znany jest przypadek, gdy piorun kulisty pojawił się na chodniku i po przebyciu kilkunastu metrów wpadł do kratki ściekowej. strona 2

3 halucynacje wzrokowe są charakterystyczne dla osób cierpiących na epilepsję. Wyjaśniałoby to te przypadki, kiedy piorun był obserwowany przez jedną osobę, a inne blisko niej nic nie widziały. Teoria halucynacji nie wyjaśnia jednak zniszczeń wywołanych przez piorun kulisty. Być może mówimy tutaj o dwóch różnych zjawiskach. Ognie świętego Elma Ognie św. Elma są zwiastunem nadchodzącej burzy. Wówczas z różnych przedmiotów wydobywają się iskierki. Mogą im towarzyszyć świsty. Obserwujemy je w miejscach, gdzie jest duża różnica potencjałów elektrycznych między ziemią a warstwą chmur, co oznacza, że jest tam zwiększone prawdopodobieństwo uderzenia pioruna. Zwykle są to maszty, anteny, skały. Ognie mogą więc uratować życie wspinaczom czy marynarzom. Są doskonale widoczne w nocy, ale łatwo je także dostrzec o poranku i zmierzchu, a nawet przy pochmurnej pogodzie. Nazwa zjawiska pochodzi prawdopodobnie od legendy o św. Elmo, który nie bał się piorunów. Widmo brockenu Jest to rzadkie zjawisko optyczne spotykane w wysokich górach. Jeśli poniżej miejsca, w którym znajduje się turysta, rozciągają się chmury, a za plecami turysty słońce jest nisko, to na powłoce chmur rozciąga się ogromny cień taternika. Głowa cienia może być otoczona barwną aureolą (zob. hasło gloria ). Nazwa zjawiska pochodzi od szczytu Brocken w górach Harz, gdzie zauważono je po raz pierwszy. W Polsce zjawisko jest obserwowane głównie w Tatrach, najczęściej ze szczytu Mnich, stąd taternicy mówią o mniszku lub zjawisku mnicha. Gloria Jest to zjawisko powstawania barwnych pierścieni wokół cienia obserwatora widocznego na tle chmur lub mgły. Powstaje w wyniku dyfrakcji (ugięcia), odbicia i rozszczepienia światła na kroplach wody. Pierścień niebieski lub fioletowy ma średnicę mniejszą od czerwonego. Odmianę glorii możemy zaobserwować wokół wytworzonego przez Słońce lub Księżyc cienia naszej głowy na zroszonej trawie. Powstaje ona w wyniku odbicia światła na kropelkach rosy. Glorii nie należy mylić z wieńcem, gdzie barwne pierścienie pojawiają się bezpośrednio wokół tarczy Słońca lub Księżyca. Może wystąpić jedna seria pierścieni lub więcej. W każdej serii najmniejszą średnicę ma pierścień niebieski lub fioletowy, a największą czerwony. Zjawisko występuje na skutek dyfrakcji (ugięcia) światła na kroplach wody chmur znajdujących się przed tarczą ciała niebieskiego. Najczęściej dotyczy to cienkich warstw średnio wysokich chmur kłębiastych (łac. altocumulus). Iryzacja chmur W znajdujących się w stratosferze chmurach pojawia się na krótko pastelowy układ barw. Odcienie są najczęściej zielone i różowe. Niekiedy barwy te są pomieszane i przypominają masę perłową, czasami widać barwne lub perłowe smugi równoległe do brzegów chmur. Zjawisko to jest prawdopodobnie wywołane załamanie i rozszczepieniem światła w materiale tych chmur. Nazwa iryzacja pochodzi od imienia greckiej bogini tęczy Iris. Z Nowej encyklopedii powszechnej PWN dowiadujemy się, że obłoki iryzujące to cienkie chmury o kształcie soczewkowatym, wykazujące silną iryzację; są rzadko obserwowane; występują zwłaszcza w zimie w dużych szerokościach geograficznych na wysokości od 20 do 30 km. strona 3

4 Na jeszcze większych wysokościach (w mezosferze) pojawiają się OBŁOKI ŚWIECĄCE. Są to chmury widoczne również nocą w obszarach od 45 do 75 stopnia szerokości geograficznej. Mają zwykle zabarwienie niebieskie lub srebrzyste, kształt woalu lub wstęgi. Są tak przeźroczyste, że widać przez nie gwiazdy. Ich świecenie jest wywołane najprawdopodobniej luminescencją. Zjawiska typu halo Pora teraz na omówienie zjawisk typu halo, czyli efektów związanych z rozpraszaniem światła na kryształkach lodu znajdujących się w chmurach (wysokie chmury pierzaste, np. cirrostratusy) lub we mgle lodowej. Wokół tarczy Słońca lub Księżyca obserwuje się wtedy barwne pierścienie, łuki lub smugi. Halo to srebrzysty lub barwny (wewnątrz czerwony, fioletowy na zewnątrz) pierścień otaczający tarczę słoneczną lub księżycową. Najczęściej występuje tzw. małe halo o rozmiarze kątowym 22, rzadziej duże halo o rozmiarze kątowym 46 (zależy to od sposobu załamywania się światła na kryształkach lodu, zachowujących się jak pryzmaty). Gdy obserwator znajduje się nad powierzchnią Ziemi (np. w samolocie), widzi czasami jasną plamę poniżej Słońca. Powstaje ona na skutek odbijania się promieni słonecznych od górnych powierzchni płaskich kryształków lodu. Tworzy się w ten sposób pozorny obraz Słońca poniżej horyzontu. Zjawisko to nazywa się podsłońcem. Jasna świecąca plama po jednej stronie Słońca, a częściej po obu stronach, to słońce poboczne. Zjawisko to powstaje, gdy promienie słoneczne załamują się na kryształkach lodu w kształcie sześciokątnych płytek zachowujących się jak opadające liście. Zjawisko to najczęściej towarzyszy zjawisku halo. Warto zauważyć, że w ostatnich latach liczba zjawisk typu halo wyraźnie się zwiększyła. Naukowcy twierdzą, że może to mieć związek ze smugami kondensacyjnymi (składającymi się z pary wodnej powstałej ze spalania benzyn) tworzonymi przez samoloty poruszające się na dużych wysokościach. Jest ich coraz więcej na niebie i powodują m.in. wzrost ilości kryształków lodu w górnych warstwach atmosfery. Pamiętajmy, że obserwując zjawiska typu halo występujące w niewielkiej odległości kątowej od Słońca, trzeba chronić oczy ze względu na ryzyko trwałego uszkodzenia wzroku. Słup słoneczny zjawisko optyczne w atmosferze polegające na ukazaniu się kolumny świetlnej ponad zachodzącym Słońcem. Zjawisko powstaje w wyniku odbicia światła, pochodzącego od nisko położonego Słońca, od powierzchni kryształów lodu w kształcie płatków, które zostały uporządkowane swobodnym opadaniem. Najłatwiej jest je zaobserwować tuż przed wschodem Słońca lub tuż po zachodzie. Przybiera wtedy formę świetlnej kolumny, na ogół o zabarwieniu czerwonawym. Barwa czerwona pochodzi od czerwonej barwy zachodzącego Słońca. Do obserwatora dochodzi wówczas głównie czerwona składowa światła słonecznego, gdyż składowa niebieska i fioletowa uległa rozproszeniu w atmosferze. Składową to widzimy wówczas jako błękit nieba. Diamentowy pył Jest to odmiana śniegu powstająca w bardzo specyficznych warunkach. Obserwuje się go przy bardzo niskich temperaturach i słonecznej pogodzie. Podczas inwersji temperatury (gdy zimne powietrze opada ku ziemi, a ciepłe wchodzi ponad nie) dochodzi do skraplania się (ewentualnie resublimacji) pary wodnej, która zamienia się w bardzo drobne kryształki lodu. Kryształki te są lekkie, więc powolutku opadają na ziemię tak wolno, że wydaje się, że wiszą one w powietrzu. Kryształki pyłu diamentowego zachowują się jak maleńkie pryzmaty, dlatego mienią się wszystkimi barwami tęczy. Diamentowy pył najczęściej można spotkać na Antarktydzie lub w Arktyce, gdzie temperatura spada do kilkudziesięciu stopni poniżej zera, a niebo jest bezchmurne. W Polsce tego typu zjawisko można zaobserwować, gdy temperatura o poranku spada poniżej 20 C. strona 4

5 Miraże Miraże jednoznacznie kojarzą się wielu ludziom z pustynią. Tymczasem występują one w różnych miejscach wystarczy słoneczna i bezwietrzna pogoda. Miraż to zjawisko ugięcia promieni światła w ośrodku optycznie niejednorodnym. W warstwach powietrza o różnej temperaturze współczynniki załamania światła mają różne wartości. Wtedy od odległego obiektu światło może dochodzić do oka obserwatora różnymi drogami. Widzi się wówczas dodatkowy obraz dalekiego planu. Charakter zjawiska zależy od rozkładu temperatury. Jeśli współczynnik załamania maleje z wysokością (głównie nad powierzchnią jezior i mórz), obserwujemy tzw. miraż górny. Promienie słoneczne są zakrzywiane ku powierzchni Ziemi. Można wtedy zobaczyć np. obraz statku na tle nieba albo górną krawędź tarczy słonecznej już po zachodzie Słońca lub jeszcze przed wschodem. Gdy współczynnik załamania rośnie wraz z wysokością (głównie nad rozgrzanymi drogami czy na pustyni), obserwuje się tzw. miraż dolny. Powietrze tuż nad ziemią jest bardzo rozgrzane i znacznie rzadsze niż wyżej. Promienie słoneczne są wtedy zakrzywiane w górę (ku chłodniejszemu, a więc gęstszemu powietrzu). Oglądane obiekty wydają się być poniżej ich rzeczywistego położenia. W naszych warunkach efekt ten możemy zobaczyć, jadąc samochodem w upalny dzień wydaje się, że droga daleko przed nami jest mokra. Jest to efekt pozornych odbić dalekiego krajobrazu lub nieba. Gdy zależność współczynnika załamania od wysokości jest określona bardziej skomplikowaną zależnością, obserwujemy miraż złożony, czyli fatamorganę. Występuje ona wtedy, gdy promienie światła zostaną zagięte bardziej niż wynosi krzywizna Ziemi, a jednocześnie tworzy się coś w rodzaju atmosferycznego falowodu. Z reguły powstaje wtedy kilka prostych i odwróconych obrazów. Nazwa zjawiska pochodzi od łac. nazwy fata, czyli czarodziejka (stąd słowo fatum) oraz od imienia czarodziejki Morgany La Fay, której przypisywano zdolności wywoływania miraży w Cieśninie Mesyńskiej nad Jeziorem Genewskim. (Wróżka Morgana jest mityczną bohaterką Opowieści Okrągłego Stołu króla Brytów, Artura). Warto zwrócić uwagę na to, że w niektórych źródłach określenia miraż i fatamorgana są traktowane jak synonimy! W Polsce dawniej można było podziwiać zjawisko mirażu na Pustyni Błędowskiej. Niestety, obecnie jest ona w dużym stopniu porośnięta krzewami i lasem. W 2011 roku ruszył unijny projekt, dzięki któremu obszar o powierzchni kilkuset hektarów odzyska swój pierwotny charakter. Może wróci tam i fatamorgana. Szczęśliwcom udaje się też z naszego brzegu Bałtyku zobaczyć szwedzki brzeg. Gdy nad wychłodzone morze napłynie górą ciepłe, silnie rozrzedzone powietrze, wówczas promienie świetlne biegnące od wysokich obiektów, np. przybrzeżnych pasm górskich czy stromych klifów, bardzo się zakrzywiają. Przypuszcza się, że właśnie dzięki mirażom odkryto wiele wysp, np. Islandię i Grenlandię. Zjawiska mirażu doświadczyć można także na obszarach polarnych. W zapiskach niektórych badaczy odnajdujemy szczegółowe opisy miejsc, które w rzeczywistości nie istnieją. Na przykład podróżnik Robert Peary (późniejszy zdobywca bieguna północnego) w 1906 roku dostrzegł przez lornetkę białe szczyty nieznanego lądu. Zauważona wyspa otrzymała nawet nazwę Ziemia Crockera. Kilka lat później zorganizowano wyprawę w celu zbadania tego lądu. Pokonano 200 km po coraz kruchszym lodzie i okazało się, że lodowa wyspa w ogóle nie istnieje. Warto jeszcze wspomnieć, że najstarszy opis mirażu znajduje się w Meteorologice Arystotelesa. Zielony błysk (zielony promień) Jest to rzadkie zjawisko występujące nad wschodzącym lub zachodzącym Słońcem. Najczęściej obserwuje się zielony rozbłysk, ale może mieć on barwę od żółtej do fioletowej. Zjawisko trudno zauważyć z powodu bardzo krótkiego czasu trwania. Jest ono spowodowane mirażem powiększeniem brzegu tarczy słonecznej znajdującej się pod horyzontem. W Polsce zielony błysk obserwuje się głównie na nadbałtyckich plażach podczas bezchmurnej i bezwietrznej pogody, a także w wysokich górach. strona 5

6 Źródła: Andrzej Hołdys, Ki pieron?, Wiedza i Życie, s , 8/2010. Andrzeja Hołdys, Miraże, Wiedza i Życie 1/2011, 10/2011 oraz 1/2012. Maciej Lisicki, Fatamorgana w miniaturze, Delta 10/ DeltaMi portal popularnonaukowy miesięcznika Delta An Introduction to Green Flashes Wroci_fatamorgana_. html#ixzz29ak4z8df Nowa encyklopedia powszechna, Wydawnictwo Naukowe PWN, t. 1 6 z suplementami. strona 6