Fale magnetyczne i elektromagnetyczne

Transkrypt

1 Fale magnetyczne i elektromagnetyczne

2 Prawo odbicia

3 Zjawiska na granicy ośrodków Światło: - odbija się od przeszkody pozostając w tym samym środowisku, - załamuje się wchodząc do innego ośrodka, - ugina się (zmienia kierunek ruchu) na przeszkodzie. Są to zjawiska upoważniające nas do traktowania go jako fali. Rozchodzenie się fal mechanicznych tłumaczy zasada Huyghensa: Każdy punkt ośrodka, po dojściu do niego zaburzenia, staje się źródłęm fali cząstkowej (kulistej). Powierzchnia styczna do danej grupy czół fal cząstkowych, stanowi czoło fali wypadkowej. Prosta prostopadła do czoła fali wyznacza kierunek ruchu fali. Rozchodzenie się fal elektromagnetycznych nie polega na drganiu cząsteczek ośrodka, ale zasada Huyghensa pozwala zrozumieć co się dzieje z tą falą podczas odbicia czy też załamania. W dalszych rozważaniach będziemy rozpatrywali wąskie strumienie światła. Jeśli źródłem będzie świecące ciało rozciągłe to rozpatrywany strumień z niego wyodrębniony będzie tak skolimowany, że wszystkie wyróżnione w nim promienie będą do siebie równoległe. Wiązkę równoległą promieni otrzymujemy za pomocą soczewki skupiającej ustawiając w jej ognisku np. żarówkę.

4 Odbicie światła Promień światła pada na powierzchnię graniczną pod kątem α. W punkcie B nastąpi odbicie promienia od powierzchni granicznej. Rozpatrzmy szeroką wiązkę promieni równoległych. AB jest czołem fali padającej. A D W czasie gdy punkt A czoła fali padającej dotrze do punktu C będącego granicą ośrodków, to fala cząstkowa (kolista) z punktu B dotrze na taką samą odległość (AC). W tym momencie w punkcie C zaczyna tworzyć się fala cząstkowa. α B β C W czasie, gdy to się stało, ze wszystkich punktów między B i C rozchodziły się fale cząstkowe. Gdybyśmy przedstawili je na rysunku, to ich promienie stopniowo byłyby mniejsze. Styczna do wszystkich fal cząstkowych daje czoło fali odbitej. Wystarczą nam pierwsza fala cząstkowa, która dotarła najdalej od punktu B i ostatnia, która zaczyna się tworzyć dopiero w punkcie C. Rysujemy styczną CD. Jest to czoło fali odbitej. Promienie fali odbitej są prostopadłe do jej czoła. Zaznaczamy kąt odbicia fali świetlnej.

5 Odbicie światła Zauważmy, że trójkąty ABC i DBA są: - prostokątne, - mają wspólny bok BC, - takie same boki AC i BD. - kąt ABC = α, ponieważ te kąty mają boki parami prostopadłe, - kąt DCB = β, ponieważ te kąty mają boki parami prostopadłe. α B β A α β D C Z trójkąta ABC mamy: sin α = AC BC Z trójkąta DBC mamy: sin β = DB BC Ponieważ drogi promienia padającego i odbitego są przebywane w tym samym czasie i z tą samą prędkością, więc: AC = BD. Mamy więc: sinα = sinβ, co znaczy, że: Jest to prawo odbicia: α = β Kąt padania jest równy kątowi odbicia

6 Obraz w zwierciadle płaskim Każdy przedmiot świecący światłem własnym bądź odbitym wysyła w przestrzeń wokół siebie wiele promieni. Aby znaleźć obraz przedmiotu trzeba znaleźć obrazy jego punktów. W tym celu wystarczają dwa promienie wychodzące z tego punktu. Pierwszy promień wychodzący z punktu A przedmiotu pada na zwierciadło Z pod kątem α i pod takim samym kątem się odbija Drugi promień pada na zwierciadło Z pod kątem β i pod takim samym kątem się odbija. A / Z A Promienie odbite nie przecinają się i nie dadzą obrazu. Obraz powstanie na przecięciu się przedłużeń promieni odbitych. Analogicznie postępujemy z dwoma promieniami wysłanymi z punktu B przedmioty. B / β β α α B Obserwator patrzący w kierunku zwierciadła będzie widział obraz A / B /. Powiększenie obrazu jest to stosunek wysokości obrazu do wysokości przedmiotu: p / h h = Zwierciadło płaskie daje powiększenie p = 1.

7 Obraz w zwierciadle płaskim Cechy obrazu: - pozorny (powstaje na przecięciu się przedłużeń promieni odbitych), A / Z A - prosty (nie odwrócony), α - powstaje w tej samej odległości od zwierciadła w jakiej znajduje się przedmiot, B / β β α B - tej samej wielkości co przedmiot (p = 1).

8 Obrazy w zwierciadle kulistym wklęsłym Zwierciadło kuliste wklęsłe Powierzchnię zwierciadła rysujemy jako łuk okręgu o promieniu r. - O - środek krzywizny zwierciadła, Ȯ r. α F α α f C - C - wierzchołek zwierciadła, - OC oś optyczna zwierciadła. Rozpatrzmy jeden z promieni wiązki równoległej do osi zwierciadła. Pada on na zwierciadło pod kątem α. Odbija się również pod kątem α i przechodzi przez oś w punkcie F znajdującym się w odległości f od wierzchołka zwierciadła. Z geometrii rysunku wynika, że kąt α znajduje się przy środku krzywizny O (dwie proste równoległe, czyli promień i oś optyczna są przecięte trzecią prostą r). Z tego wynika, że CF = FO. Mamy więc: f / r 2 = - ogniskowa zwierciadła, F - ognisko zwierciadła. Jest to ognisko rzeczywiste ponieważ powstaje w miejscu przecięcia się promieni odbitych od zwierciadła. Rozpatrując wiązkę promieni równoległych do osi optycznej znajdziemy, że wszystkie one przejdą przez ognisko. W dalszej nauce dowiesz się, że nie dla wszystkich zwierciadeł ma to miejsce.

9 Obrazy w zwierciadle kulistym wklęsłym Zwierciadło kuliste wklęsłe obraz dla x > 2f A B O. F. x r f Do konstrukcji wybieramy takie dwa promienie, o których wiemy przez jakie punkty przejdą. Nie będziemy wtedy zmuszeni odmierzać kąty padania i odbicia. Są to promienie: - równoległy do osi optycznej, który po odbiciu przejdzie przez ognisko F, - przechodzący przez ognisko, który po odbiciu będzie równoległy do osi optycznej.

10 Obrazy w zwierciadle kulistym wklęsłym Zwierciadło kuliste wklęsłe obraz dla x > 2f A O. B B / A / x F. r y f Obraz punktu A powstał w A /. Obraz przedmiotu A / B / znajduje się w odległości y od wierzchołka zwierciadła.

11 Obrazy w zwierciadle kulistym wklęsłym Zwierciadło kuliste wklęsłe obraz dla x > 2f A O. B B / F. A / r x Cechy obrazu: - rzeczywisty (powstał w miejscu przecięcia się promieni odbitych), - odwrócony, - pomniejszony (p < 1), - w odległości f < y < 2f. y f

12 Obrazy w zwierciadle kulistym wklęsłym Zwierciadło kuliste wklęsłe obraz dla f <x < 2f A Cechy obrazu: B / O. B. F - rzeczywisty, - odwrócony, - powiększony (p > 1), - w odległości 2f < y. A / f y r x

13 Obrazy w zwierciadle kulistym wklęsłym Zwierciadło kuliste wklęsłe obraz dla x < f Cechy obrazu: - pozorny, - prosty, - powiększony p > 1, - w odległości y < 0. O. A. F B f A / B / r x y

14 Obraz w zwierciadle kulistym wypukłym Zwierciadło kuliste wypukłe ma ognisko pozorne, gdyż promienie równoległe do osi optycznej rozpraszają się i tylko przedłużenia promieni odbitych przechodzą przez ognisko. F

15 Obraz w zwierciadle kulistym wypukłym Cechy obrazu: - pozorny, - prosty, - pomniejszony (p < 1), - w odległości y < 0. A / A O.. F f B / B r y x Porównaj tę konstrukcję z konstrukcją obrazu w zwierciadle wklęsłym dla x < f.

16 Równanie zwierciadła kulistego Przedmiot ustawiamy w odległości x>2f od wierzchołka zwierciadła. Promień z punktu A przedmiotu, padający na wierzchołek zwierciadła C pod kątem α, odbija się od niego pod takim samym kątem α. Promień z punktu A przedmiotu przechodzący przez środek krzywizny zwierciadła O wraca tą samą drogą (dla niego kąt padania jest równy zero). Obraz punktu A powstaje na przecięciu się promieni odbitych (czerwonych) w miejscu A /. Obraz przedmiotu jest A / B /. A Ọ F. B B / A / x r = 2f α α f C

17 Równanie zwierciadła kulistego Z podobieństwa trójkątów prostokątnych ABO i A / B / O mamy: A Ọ F. B B / α α C Z podobieństwa trójkątów prostokątnych ABC i A / B / C mamy: A / f r = 2f x y Porównując prawe strony powyższych zależności otrzymujemy równanie zwierciadła kulistego: 1 x + 1 y = 1 f

18 Równanie zwierciadła kulistego Z równania zwierciadła 1 x + 1 y = 1 f mamy: f y = 1 f x Funkcja ta jest nieokreślona dla x = f. Wtedy na wykresie zbliża się ona asymptotycznie do f. Jej wykresem jest hiperbola. y 2f f 0 f 2f

19 Obrazy w soczewkach x Charakter obrazu P powiększenie obrazu x > 2f Odwrócony, rzeczywisty p < 1 x = 2f Odwrócony, rzeczywisty p = 1 f< x < 2f Odwrócony, rzeczywisty p > 1 x = f x < f Prosty, pozorny p > 1

20 Aberracja sferyczna zwierciadeł kulistych α 1 α1 α 2 α 2 α α F 2 F 1 r

21 Aberracja sferyczna zwierciadeł kulistych Aberracja sferyczna to rozmycie ogniska wynikające z tego, że promienie leżące bliżej i dalej od osi optycznej padają na nie pod różnymi kątami. Wady tej nie mają zwierciadła paraboliczne. α 1 α1 α 2 α 2 W zwierciadłach kulistych częściowo ją usuwamy stosując zwierciadła o dużym promieniu krzywizny. Wtedy kąty padania promieni przyosiowych i leżących dalej od osi niewiele się różnią. 0 F 2 F 1 r

22 Załamanie światła Zjawisko załamania polega na zmianie kierunku rozchodzenia się światła przy przejściu z jednego ośrodka przezroczystego do drugiego. Zmiana kierunku promienia na granicy dwóch ośrodków spowodowana jest tym, że światło w różnych ośrodkach rozchodzi się z różnymi szybkościami. Stosunek sinusa kąta padania, do sinusa kąta załamania jest dla danych ośrodków stały i równy stosunkowi prędkości światła w ośrodku pierwszym, do prędkości światła w ośrodku drugim. Kąty padania i załamania leżą w tej samej płaszczyźnie. sinα = sinβ v v 1 2

23 Stosunek sinusa kąta padania, do sinusa kąta załamania jest dla danych ośrodków stały i równy stosunkowi prędkości światła w ośrodku pierwszym, do prędkości światła w ośrodku drugim. Kąty padania i załamania leżą w tej samej płaszczyźnie. sinα = sinβ v v 1 2 α kąt padania (nazywamy kąt pomiędzy promieniem padającym, a prostą n) β kąt załamania (kąt pomiędzy promieniem załamanym, a prostą n) v 1 szybkość rozchodzenia się światła w I ośrodku v 2 szybkość rozchodzenia się światła w II ośrodku

24 Załamanie światła Prawo Snelliusa: n 1 sinα= n 2 sinβ n 2 n 1

25 Przypadki 1. Gdy kąt padania promienia światła na granicę ośrodków wynosi 0, to kierunek promienia nie ulega zmianie (kąt załamania również ma wartość 0 ) bez wzgl ędu na rodzaj ośrodków promień światła nie zmienia kierunku. o α = 0 β = 0 o 2. Kąt padania > 0 o Przechodząc z ośrodka, w którym rozchodzi się z większą prędkością do ośrodka, w którym rozchodzi się z mniejszą prędkością załamuje się do prostopadłej. Kąt padania jest większy od kąta załamania. v 2 1 > v α > β

26 3. Światło przechodząc z ośrodka, w którym rozchodzi się z mniejszą prędkością do ośrodka, w którym rozchodzi się z większą prędkością załamuje się od prostopadłej. Kąt padania jest mniejszy od kąta załamania. v 2 1 < v α < β 4. Zwiększając kąt padania zwiększa się także kąt załamania. Gdy kąt załamania jest kątem prostym, to kąt padania nazywamy kątem granicznym. 5. Jeżeli kat padania jest większy od granicznego, to zachodzi zjawisko całkowitego odbicia.

27 Przejście światła przez taflę szklaną Konstrukcja rysunku Rysujemy: -prostokątną płytkę - promień wchodzący do płytki α 1 - normalną - promień załamany w płytce β 1 - drugą normalną - promień wychodzący z płytki α 2 β 1 = α 2 - promień załamany w powietrzu β 2 - zaznaczamy kąty α 1 = β 2 = α

28 Przejście światła przez pryzmat Światło białe" to światło słoneczne, a także światło zwykłej żarówki. Pryzmatem nazywamy ciało przezroczyste (np. szkło) ograniczone dwiema płaszczyznami przecinającymi się wzdłuż prostej zwanej krawędzią pryzmatu i tworzącymi kąt ACB - zwany kątem łamiącym pryzmatu. Po przejściu przez pryzmat promienie zostają odchylone od krawędzi C pryzmatu Kąt między przedłużeniem promienia padającego a promieniem załamanym nosi nazwę kąta odchylenia. Jest tym większy im większy jest kąt łamiący i im większy jest współczynnik załamania szkła.

29 Ogólny schemat budowy światłowodów płaszcz rdzeń Światłowody składają się w ogólnym przypadku z dwóch warstw: - rdzenia o wyższym współczynniku załamania, przy czym rdzeń może składać się z wielu warstw - płaszcza o mniejszym współczynniku załamania

30 Typy światłowodów n n rdzenia Światłowody o skokowej zmianie współczynnika załamania w rdzeniu n płaszcza r rdzenia r płaszcza r

31 Typy światłowodów Światłowody o skokowej zmianie współczynnika załamania w rdzeniu r rdzenia r płaszcza n n rdzenia n płaszcza r Światłowody o gradientowej zmianie współczynniku załamania światła w rdzeniu

32 Propagacja w światłowodzie o skokowej zmianie współczynnika złamania n 2 n 1 Wchodzące światło propaguje się wewnątrz rdzenia. Gdy pada na płaszcz pod kątem większym od kąta granicznego ulega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu.

33 Odbicie światła na granicy światłowód - powietrze n 2 n 1 Odbicie światła na granicy światłowódpowietrze opisywane jest poprzez współczynniki Fresnela.

34 Rozciągnięcie impulsu propagującego się w światłowodzie w 1 n 2 n 1 w 2 W wyniku dyspersji oraz pokonywania różnych dróg optycznych następuje czasowe rozciągnięcie się impulsu światła propagującego w światłowodzie.

35 Światłowody gradientowe n 2 Zasada Fermata determinuje drogę po jakiej propaguje się promień świetlny w światłowodzie gradientowym.

36 Dyfrakcja

37

38

39 Dyfrakcja Fraunhofer a Występuje, gdy szczelina odsłania mały ułamek środkowej strefy Fresnela.

40 Dyfrakcja na pojedynczej szczelinie I = I max sin (( πasinθ) /λ) ( πasinθ) /λ 2 Warunek na minima: λ a πasinθ = λ nπ λ a sinθ = nλ a

41 Dyfrakcja na pojedynczej szczelinie sinθ = nλ a a) 90 < θ < 90 b) i c): szerokość kątowa środkowego maksimum maleje wraz ze zmniejszaniem się stosunku a/λ.

42 Dwie szczeliny Dyfrakcja na pojedynczej szczelinie o szerokości a Interferencja od dwóch źródeł odległych o d = 4a Dyfrakcja od dwóch szczelin o szerokości a, odległych od siebie o d = 4a.

43 Wiele szczelin siatka dyfrakcyjna Maksima dsinθ = nλ

44 Siatka dyfrakcyjna dsinθ = nλ 0.38 µ. < λ < 0.76 µ m widzialne λ f < λ cz θ f < θ cz

45 Kryterium Rayleigh a Jeśli położenie centralnego maksimum jednego obrazu dyfrakcyjnego przypada na położenie pierwszego minimum drugiego obrazu, to obrazy te są rozróżnialne. Dla apertury kołowej: λ θmin = 1.22 D θ

46 Promieniowanie rentgenowskie Promieniowanie rentgenowskie jest wytwarzane w lampie rentgenowskiej, która jest bańką szklaną, w którą wmontowano dwie elektrody, z których anoda, zwana antykatodą, wykonana jest np. z wolframu i ma kształt umożliwiający wydostanie się promieniowania na zewnątrz. Znajdujące się w wewnątrz elektrony (resztki gazu lub wydostające się z katody) są przyspieszane do antykatody napięciem kilkudziesięciu tysięcy woltów. Część z elektronów wnika do wnętrza atomów antykatody. Energie, jakie posiadają, mają wartości umożliwiające przejścia elektronów między wewnętrznymi powłokami atomów antykatody. Następuje emisja spontaniczna a energia wysyłanych wtedy fotonów jest z zakresu promieniowania rentgenowskiego. W promieniowaniu rentgenowskim występują więc linie charakterystyczne dla materiału antykatody. Tworzą one tzw. widmo charakterystyczne. Część rozpędzonych elektronów wnika do antykatody nie wnikając do wnętrza atomów (nie powodują emisji spontanicznej) hamuje w najróżniejszy sposób tracąc najróżniejsze energie. Daje wtedy widmo ciągłe. Promieniowanie wtedy powstające zwane jest promieniowaniem hamowania. W promieniowaniu hamowania nie będzie fotonów o energiach większych niż energia hamujących elektronów: c eu hν h eu czyli: λ min = max = = h λ min Z tego wynika, że promieniowanie hamowania ma tzw. krótkofalową granicę λ max. Od strony fal krótkich kończy się gwałtownie, a od strony fal długich przechodzi w inne rodzaje promieniowania (dłuższe). Promieniowanie rentgenowskie (zwane również promieniowaniem X) ma długości z przedziału: <0,01nm 10nm>

47 Dyfrakcja promieni Roentgena Dyfrakcja światła na dwóch siatkach dyfrakcyjnych. Jeśli skrzyżujemy dwie siatki dyfrakcyjne to obraz interferencyjny dla światła na ekranie ma postać jak na rysunku. Dzieje się tak dlatego, że: - dla jednej siatki jest spełniony warunek wzmocnienia: nλ = dsinα n, - i dla drugiej: mλ = dsinβ n. Po skrzyżowaniu siatek oba warunki muszą być spełnione jednocześnie, co prowadzi do obrazu jak na rysunku.

48 Dyfrakcja promieni Roentgena Siatka dyfrakcyjna dla promieni Roentgena. Na żadnej z siatek dyfrakcyjnych wykonanych dla światła widzialnego dyfrakcja promieni Roentgena nie zachodzi. Dzieje się tak dlatego, że długość fali tych promieni (λ r = <0,01 nm 10 nm>) jest krótsza niż światła (λ ś = <360 nm 720 nm>), a warunkiem zajścia interferencji jest by rozmiary szczeliny były mniejsze niż długość fali światła, które ma ulec interferencji. Nie ma technicznych sposobów na zrobienie rys w odległości mniejszej niż 0,01 nm. Siatkami dyfrakcyjnymi dla promieni Roentgena mogą być kryształy, w których ułożone regularnie atomy znajdują się w odległościach mniejszych niż 0,01 nm. Są to siatki przestrzenne. Może to być np. sól kuchenna NaCl. Obraz dyfrakcyjny promieni Roentgena przypomina ten jaki otrzymuje się dla światła przechodzącego przez dwie siatki skrzyżowane.

49 Dyfrakcja promieni Roentgena Siatka dyfrakcyjna dla promieni Roentgena. Ułożone regularnie w krysztale atomy tworzą płaszczyzny sieciowe a padające promienie Roentgena rozpraszają się na atomach, które są pewnego rodzaju centrami rozpraszania. Odległości płaszczyzn sieciowych są różne i mniejsze od odległości między atomami. Uprościmy rozważania i będziemy mówili, że promienie Roentgena odbijają się od płaszczyzn sieciowych. Jeśli różnica dróg promieni będzie równa wielokrotności λ to w obrazie interferencyjnym nastąpi wzmocnienie (jasne plamki). W przeciwnym razie wygaszenie ruchu falowego.

50 Dyfrakcja promieni Roentgena Warunki interferencji promieni Roentgena ,2 A P 1 Θ C d P 2 P 3 B E Θ D d Rozpatrzmy promienie 1 i 2 odbijające się od płaszczyzn P 1 i P 2. Do chwili ich spotkania w punkcie C pojawia się między nimi różnica dróg: s = BC AC = BD BE = ED Z trójkąta prostokątnego ECD mamy: gdzie: d - to odległość płaszczyzn, Θ - to kąt poślizgu. s = 2dsinΘ Wzmocnienie ruchu falowego następuje wtedy, gdy różnica dróg obu promieni jest całkowitą wielokrotnością długości fali λ. Warunek wzmocnienia ma więc postać: Dla innych kątów następuje wygaszenie ruchu falowego. 2dsin Θ = nλ, n=1, 2, 3,

51 Tęcza 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. Tęcze dzielimy na: Główne Wtórne

52 Kolory tęczy Newton:

53 Zjawisko powstawania tęczy: To 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 lub Księżyc. 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. Podczas zjawiska tęczy widzimy tylko łuk, a nie całą ścianę barw, ponieważ wszystkie promienie słoneczne wpadają do kropli wody równolegle względem siebie i wpadają do oka pod określonym kątem w stosunku do kierunku padania promieni słonecznych, 42 lub 52 stopnie.

54 Tęcza główna W tęczy głównej barwa fioletowa występuje po wewnętrznej stronie, a barwa czerwona po zewnętrznej stronie.

55 Tęcza wtórna W tęczy wtórnej, o znacznie mniejszej jasności od tęczy głównej, czerwona barwa jest od wewnątrz, a fioletowa na zewnątrz.

56 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 lub plam podobnych do obłoków. Podczas zjawiska zorzy polarnej protony i elektrony wpadające w obręb pola magnetycznego Ziemi powodują jonizację i wzbudzenie atomów i cząsteczek gazów znajdujących się w atmosferze. Zjawisko to ma najczęściej miejsce na biegunach, ponieważ tam jest największa koncentracja protonów i elektronów. 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.

57 Zaćmienie Słońca i Księżyca Do zaćmienia Słońca dochodzi, gdy Księżyc poruszający się po orbicie wokół Ziemi znajdzie się pomiędzy Słońcem a Ziemią. W zależności od rozmiarów kątowych oraz wzajemnego położenia tarczy Słońca i Księżyca w momencie zaćmienia, wyróżnia się zaćmienia częściowe, całkowite i obrączkowe. Do zaćmienia księżyca dochodzi, gdy Ziemia znajdzie się pomiędzy Słońcem a Księżycem przesłaniając promienie słoneczne padające na Księżyc. W zależności od tego jaki fragment tarczy Księżyca znajdzie się w cieniu Ziemi, wyróżnia się zaćmienia częściowe, całkowite i półcieniowe.

58 Zaćmienie obrączkowe

59 Miraż pustynny, czyli fata-morgana Załamujący się promień świetlny zawsze skręca w kierunku gęstszego powietrza, bądź środowiska. Gęstsze powietrze, jest to powietrze o wyższej temperaturze, cząsteczki jego poruszają się szybciej i jest ono gęstsze. Potoczną nazwą tego zjawiska jest fata-morgana i kojarzy się najczęściej z widocznym na pustyni jeziorem otoczonym palmami. Podstawą jest różnica temperatur przy powierzchni Ziemi. W dzień piasek na pustyni nagrzewa się bardziej niż powietrze i w efekcie po nadejściu wieczoru ogrzewa on najbliższą warstwę powietrza. Powstaje warstwowy układ temperatury przy Ziemi najcieplej, a kilka metrów wyżej jest już ono dużo chłodniejsze. Promień światła przechodzący nad powierzchnią zostaje zagięty w górę, w kierunku chłodniejszego (gęstszego) powietrza.

60 Fata-morgana

61 Miraż dolny i górny Miraże dolne obserwuje się pod horyzontem. Powstają one na bardzo gorących, rozgrzanych obszarach, takich jak pustynie lub stepy. Temperatura Ziemi w tamtym miejscu jest o wiele wyższa od temperatury najniższej warstwy powietrza. Miraże dolne mogą być odwrócone lub proste. Np. Gdy jedziemy samochodem w upalny dzień i na drodze w oddali wydaje nam się, że widzimy wodę albo brzeg jeziora. Jednak tak naprawdę jest to obraz nieba odbity od najniższych warstw nad drogą w danej odległości od nas. W mirażu górnym promienie odbite ulęgają takiemu zakrzywieniu, że obserwator widzi ich obrazy powyżej linii horyzontu. Ten rodzaj mirażu można najczęściej zaobserwować nad morzem, ponieważ temperatura powietrza jest znacznie niższa od temperatury morza.

62

63 Zjawisko cienia i półcienia Światło rozchodzi się po linii prostej, więc gdy napotyka przeszkodę o rozmiarach podobnych z długością fali λ, to z tyłu za nią pojawi się cień. Jeżeli źródło światła jest punktowe to utworzy się cień pełny, a jeżeli źródło światła będzie miało duże rozmiary liniowe, to z tyłu przedmiotu utworzą się obszary cienia i półcienia.

64 Zjawisko Brockenu Zjawisko Brockenu jest zjawiskiem świetlnym rzadko występującym w atmosferze ziemskiej. Powstaje w górach, przy niskim położeniu Słońca nad horyzontem, gdy powiększony do nadnaturalnej wielkości cień obserwatora pojawia się na rozpostartych wprost przed nim, albo niżej od niego chmurach warstwowych, zalegających w dolinach. Inaczej mówiąc, obiekt znajdujący się pomiędzy Słońcem, a chmurami, rzuca cień wnikający głęboko w chmury. Cień często otoczony jest barwną aureolą. Jeżeli w zjawisku bierze udział kilka osób, to każda z nich widzi jedynie swoją aureolę. Nazwa zjawiska pochodzi od wzniesienia Brocken w górach Harz (Niemcy), gdzie zaobserwowano je po raz pierwszy.

65

66 Halo Halo jest jednym z ciekawszych zjawisk optycznych na niebie i powstaje na skutek załamania światła w chmurze zawierającej kryształki lodu. Występuje, jako barwny 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. Część nieba wewnątrz kręgu jest wyraźnie ciemniejsza niż na zewnątrz. Halo nazywamy również inne zjawiska optyczne w przyrodzie.

67

68 Słup światła Oprócz pierścieni, które są podstawowymi postaciami zjawisk halo występują również pionowe słupy świetlne, przechodzące przez tarczę Słońca lub Księżyca, obserwowane przy tych ciałach niebieskich. W bezwietrzny mroźny poranek można czasami zobaczyć, jak nad Słońcem widać w powietrzu igły połyskujące w jego promieniach oraz słupy świetlne. Słupy świetlne bywają czasami widoczne podczas bezwietrznej, mroźnej pogody nad latarniami. Pojawienie się tych słupów związane jest z odbiciem promieni od ścian unoszących się w powietrzu kryształków lodu. Aby można było zaobserwować to zjawisko w powietrzu musi znajdować się obłok kryształków lodu, których ścianki znajdują się w poziomie. Wtedy promienie odbijają się od nich i następuje załamanie promieni słonecznych. Oko rzutuje je na sklepienie niebieskie i obserwatorowi wydaje się, że przy słońcu powstają słupy świetlne. Słupy poziome tworzą się poprzez odbicie promieni światła od kryształków, które spadając obracają się wokół swojej osi pionowej. Słupy tworzące się nad latarniami są wywołane odbiciem światła od płatków śniegu, kropel mgły lub cząstkach pyłu unoszącego się w powietrzu.

69

70 Wieniec Wieniec jest to jedna lub kilka serii barw pierścieni o stosunkowo małym promieniu, otaczających bezpośrednio tarczę ciała niebieskiego. W każdej serii pierścień wewnętrzny jest fioletowy lub niebieski, a pierścień zewnętrzny - czerwony; między nimi mogą występować inne barwy. Najbardziej wewnętrzna seria, mająca promień na ogół nie większy niż 5 stopni i nosząca nazwę aureoli, wykazuje zwykle wyraźny pierścień zewnętrzny o czerwonawej lub kasztanowej barwie. Wieńce wywołane są ugięciem światła w znajdujących się przed tarczą Słońca lub Księżyca cienkich chmurach, zbudowanych z drobnych, jednorodnych kropelek wody, zazwyczaj są to chmury średnie kłębiaste.

71 Iryzacja Iryzacja to tęczowe barwy powstające czasem na powierzchni przezroczystych ciał w wyniku interferencji światła. Obserwuje się je, jako mieniące się tęczowe plamy barwne na wodzie. Układy barw przeważnie zielonych i różowych, często o odcieniach pastelowych, są obserwowane na chmurach. Barwy te bywają niekiedy pomieszane, niekiedy zaś w postaci smug prawie równoległych do brzegów chmur. Barwy iryzacji są często błyszczące i przypominają kolor masy perłowej. Zjawisko iryzacji chmur w istocie jest tego samego pochodzenia co wieńce i występuje przy chmurach kłębiastych.

72

73 Gloria Gloria powstaje na skutek dyfrakcji światła 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. Na te same chmury pada cień obserwatora i wówczas wydaje się, że gloria otacza cień jego głowy. 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 barwną glorią.

74