Tęcza, gloria i widmo Brockenu. Karol Życzkowski (Instytut Fizyki UJ) Noc naukowców, 24 IX 2010

Transkrypt

1 Tęcza, gloria i widmo Brockenu Karol Życzkowski (Instytut Fizyki UJ) Noc naukowców, 24 IX 2010

2 Zjawiska optyki atmosferycznej

3 Tęcza: efekty zalamania światła i jego rozszczepienia na kroplach wody...

4 Theodoric z Fryburga 1304 Doświadczenia z promieniem światła i naczyniem z wodą

5 Prawo załamania światła Snell (1620) oraz Kartezjusz (1637)

6 Teoria Kartezjusza: odbicie promienia wewnątrz kropli wody

7 Kolory tęczy - Newton: wytłumaczenie rozszczepienia światła białego I rząd II rząd

8 Barwy płyty CD Interferencja fal świetlnych

9 Teorie tęczy (rozpraszania światła na kroplach wody): Kartezjusz - kształt, położenie Newton - kolory Airy 1838 (dyfrakcja, całka Airy ego!) Debye wyższe rzędy - szereg Debye a Mie ścisła teoria rozpraszania van de Hulst współczesna teoria glorii

10 Tęcze pierwszego (dolna) i drugiego rzędu (górna, obrocona!) ciemniejszy pas Aleksandra pomiędzy tęczami Poniżej kolorowe wstążki tęczy nadmiarowej - zjawisko dyfrakcji światła

11 Optyczne zjawiska kropelkowe: 1.Nimb (Heiligenschein) 2. Korona 3. Gloria

12 Nimb Zjawisko optyczne powstające przy oświetleniu promieniami słońca kropelek rosy zawieszonych nad powierzchnią liści...

13 Małe kropelki wody wiszą nad powierzchnią liścia... Światło ogniskuje się na powierzchni liścia i odbija się wstecz trafiając przez kroplę do obserwatora.

14 Korona : zjawisko optyczne wokół słońca (księżyca) wywołane przez kropelki wody...

15 Koronę słoneczną bezpieczniej jest obserwować w świetle odbitym...

16 Gloria = antykorona! obserwowana jest w punkcie przeciwsłonecznym (antisolar point)

17 Teoria glorii: rozpraszanie światła na kroplach wody: H. C. van de Hulst, A theory of the anti-coronae, J. Opt. Soc. Am. 37, 16 (1947).

18 Widmo Brockenu

19 Brocken w górach Harz, 1114m

20 Now to the Brocken the witches ride; The stubble is gold and the corn is green; There is the carnival crew to be seen, And Squire Urianus will come to preside. So over the valleys our company floats, With witches a-farting on stinking old goats. J. W. Goethe, Faust, 1808 Zjazd czarownic na górze Brocken podczas nocy Walpurgii: 30IV/1V

21 Widmo Brockenu

22 Teoria Debye a: (1908) klasyfikacja trajektorii: p=0: odbicie (+dyfrakcja) p=1: załamanie na kropelce p=2: 1 wewnętrzne odbicie p=3: 2 wewnętrzne odbicie... p: (p-1) wewnętrznych odbić

23 n = Względne nateżenia wiązek odbitych dla tęczy I rzędu w zależności od polaryzacji

24 tęcza= rainbow fogbow Natężenie światła czerwonego (λ= 0.65 µm), na kroplach wody (współczynnik załamania n=1.3325) o promieniu 0.1, 1, 10, 100 oraz 1000 µm.

25 Natężenie światła w funkcji kąta rozpraszania dla kropli wody o promieniu r =100µm tęcza II rzędu (127º) oraz I rzędu (138º)

26 Teoria Mie: rozpraszanie światła na (małych) kulkach... Równania Maxwella + dyfrakacja+ odbicia wewnętrzne+ sumowanie szeregu wyrazów określanego przez (dowolnie dużą) liczbę odbić wewnętrznych. Przykład: rozproszenie na kropelce wody o r = 10μm Teoria Mie = suma szeregu nieskończonego Teoria Debye a dla p=2

27 Widmo Brockenu: teoria i obserwacja Wielkość fitowana: promień kropel wody: r = 10μm 2002 Nik Szymanek, La Palma, Canary Islands

28 Gloria widziana z mostu Golden Gate Bridge. Photo by Mila Zinkova

29 Pinnacle Ridge, Penyr Ole Wen, Wales, John Hardwick, February 1993

30 Pseudo widmo Brockenu (w oświetleniu sztucznym podczas mgły...)

31 Absorption and scattering of light by small particles, C.Bohren and D. Huffmann, (1983) W przeciwieństwie do tęczy, glorii nie da się prosto wytłumaczyć. Można rzec, że gloria powstaje w wyniku złożenia tysięcy członów opisujących rozpraszanie światła na małych kroplach, co nie jest bardzo zadawalające...

32 Does the glory have a simple explanation? H.Nussenzveig Opt. Lett. 27, 1379 (2002). Teoria Mie opisuje glorię poprzez sumę dużej liczby skomplikowanych członów, których fizycznego mechanizmu nie da się rozróżnić.

33 Widmo Brockenu: obserwacje w terenie, marzec 2007

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49 Widmo Brockenu: rokowania na przyszłość 1. Kto raz zobaczył widmo Brockenu, ten zginie w górach 2. Kto trzy razy zobaczył widmo Brockenu, ten zginie w górach 3. Kto raz zobaczył widmo Brockenu, zginie w górach. Zobaczenie widma po raz trzeci, odwraca złą przyszłość...

50 Empiryczna analiza powyższych hipotez: w toku...

51 2. Co pewien czas dumnie podnoście głowę i patrzcie w niebo. Z pewnością ujrzycie tam coś ciekawego... Konkluzje 1.Idąc przez życie stąpajcie twardo po ziemi często patrząc pod nogi, aby nie wdepnąć w coś brzydkiego..