Fizyka zjawisk optycznych Fizyka zjawisk optycznych w atmosferze w atmosferze

(1)

Fizyka zjawisk optycznych Fizyka zjawisk optycznych

w atmosferze w atmosferze

dr Krzysztof

dr Krzysztof M. M. MarkowiczMarkowicz kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl Festiwal Nauki 2005 Festiwal Nauki 2005

(2)

Zjawiska optyczne w atmosferze

powstają ze względu na rozproszenia,

odbicia, załamania lub rozszczepienia

światła na kroplach i kryształkach lodu

ponadto poprzez zakrzywienia drogi

światła przy przejściu przez warstwy

powietrza o różnej gęstości.

(3)

Podstawowe zjawiska optyczne:

rozproszenie:

• niebieski kolor nieba

odbicie, załamanie, rozszczepienie:

• tęcza

• halo

zakrzywienie

• miraż

(4)

światło światło

• Światłem nazywamy spektralną cześć promieniowania elektromagnetycznego z zakresu 0.4 – 0.7 m.

• Światło białe składa się z promieniowania o rożnych długościach fali (np. Słonce, żarówka).

• Światło laserowe – promieniowanie z bardzo wąskiego zakresu spektralnego dlatego światło to ma określony kolor (np. laser He-Ne lub dioda luminescencyjna LED)

(5)

Czułość ludzkiego oka na rożnych długości fali.

(6)

Dlaczego widzimy kolory, np. dlaczego liście Dlaczego widzimy kolory, np. dlaczego liście

są zielone ? są zielone ?

• Padające na liście białe światło zostaje od niego selektywnie odbite w ten sposób że dociera do nas tylko światło zielone.

Światło niebieskie i czerwone jest pochłaniane przez chlorofil zawarty w ich wnętrzu.

Jaki kolor będą miały liście oświetlone w nocy np.

czerwonym światłem lasera?

(7)

Podstawowe zjawiska

fizyczne związane z

promieniowaniem

(8)

Podstawy fizyczne rozpraszania światła w atmosferze.

rozpraszania światła – zjawisko fizyczne polegające na zmianie kierunku propagacji światła.

Rozpraszanie w atmosferze ma miejsce na molekułach powietrza, kroplach wody czy kryształkach lodu w chmurach, oraz na

drobnych cząsteczkach

zanieczyszczeń (aerozolach).

Przy braku rozpraszania niebo powinno być czarne wszędzie poza tarcza słoneczną. Tak jak ma to miejsce w górnych

warstwach atmosfery.

(9)

W zależności od rozmiarów cząstek mamy dwa typy rozpraszania:

• Rozpraszanie Rayleigh’a – na cząstkach małych (w porównaniu z długością fali)

• Rozpraszanie MIE – na cząstkach dużych (w porównaniu z długością fali)

Własności fizyczne obu typów rozpraszania są zasadniczo inne.

Rozpraszanie na cząstkach małych jest najsilniejsze dla fal najkrótszych (kolor niebieski)

W przypadku rozpraszania na dużych cząstkach fale krótkie i długie rozpraszane są podobnie.

Gdy w atmosferze brak dużych cząstek to kolor nieba jest niebieski gdyż promieniowanie, które dociera do nas od strony nieba jest

rozpraszane na małych cząstkach.

4

ie 1 rozpraszan

 

(10)

Jak powstaje tęcza?

Rozszczepienie światła

(11)

Dlaczego kolor Słońca i nieba podczas zachodu jest Dlaczego kolor Słońca i nieba podczas zachodu jest

pomarańczowy?

• Światło blisko horyzontu pokonuje znacznie dłuższą drogę w atmosferze niż gdy Słonce jest w zenicie.

• Podczas zachodu Słońca droga ta jest około 37 razy większa!!

• Intensywnie rozpraszane światło niebieskie jest

pochłaniane w atmosferze i pozostają tylko fale dłuższe dające pomarańczowe czy czerwone zabarwienie.

• Podobnie ma się rzecz z kolorem samej tarczy słonecznej.

(12)

Powstawanie tęczy

(13)

Symulacje zjawisk optycznych-Techniki Monte-Carlo Symulacje zjawisk optycznych-Techniki Monte-Carlo

(14)

Środek tęczy znajduje się w punkcie przeciwsłonecznym Środek tęczy znajduje się w punkcie przeciwsłonecznym

(15)

Refrakcja atmosferyczna Refrakcja atmosferyczna

• Refrakcja czyli zakrzywienie światła w w niejednorodnym ośrodku (zmieniającej się gęstości) np. w atmosferze.

• Zjawisko to jest największe gdy widziane przez nas Słonce znajduje się na horyzoncie. Wówczas jest ono faktycznie około 0.5 stopnia pod horyzontem.

Zjawiska związane z refrakcja atmosferyczna:

• Rozwarstwione Słońce

• Zielony błysk

• Miraż

(16)

Refrakcja- Zasada Fermata Refrakcja- Zasada Fermata

Zasada najkrótszego czasu.

Przykład

Mamy dwa obszary

jeden z głębokim a drugi z ubitym śniegiem.

Idziemy po skosie. Jaka droga wybrać aby dojść

w najkrótszym czasie ?

^A

B C

V=2m/s

V=0.5m/s

(17)

Zachód Słońca Zachód Słońca

• Rzeczywisty obraz Słońca często nie stanowi gładkiej elipsoidy. Ma to miejsce gdy w powietrzu występują warstwy o różnej gęstości (zróżnicowanej

temperaturze).

• Różnice gęstości sprawiają, że i stopień refrakcji jest różny co wywołuje wrażenie że dysk słoneczny ma zróżnicowana

szerokość na rożnej wysokości.

• Zjawisko to nazywamy rozwarstwieniem i powstaje w takich warunkach jak miraż. W powietrzu o silnym zmętnieniu ostatni

segment Słońca znajduje się w pewnej wysokości nad horyzontem.

• Rano zjawisko to jest przeważnie słabsze we względu na mniejsze zmętnienie

atmosfery.

(18)

Zielony promień / zielony błysk Zielony promień / zielony błysk

• Obserwowany przy wyjątkowo czystym powietrzu ostatni skraj

Słońca jako jaskrawy błysk zielonego światła.

• Istnieje wiele hipotez próbujących wyjaśnić to zjawisko.

• Jedna z nich mówi, iż nasze oko jest najbardziej czułe na barwę zieloną i ostatni skraj Słońca właśnie taki nam wydaje się być.

• Inna natomiast wydająca się bardziej prawdopodobna mówi, iż barwy

zachodzącego Słońca zmieniają się od czerwieni przy samym horyzoncie przez pomarańcz i żółty. W dalszej kolejności widma światła jest właśnie kolor zielony. Ponadto Słonce

emituje najwięcej światła właśnie w tym obszarze spektralnym.

Taka zmiana wynika ze zmieniającej się grubości atmosfery i

pochłaniania promieniowania krótszego najbliżej horyzontu.

(19)

Miraże Miraże

• Zjawisko związane jest z ugięciem światła w atmosferze.

Chociaż ugniecie występuje w atmosferze zawsze to w mirażach wywołuje ono zniekształcenie obrazu

• Pojawia się przy dużym pionowym gradiencie

temperatury (nad silnie rozgrzana powierzchnia ziemi).

• Gęstości powietrza spada w wysokością jednak nad

gorącą powierzchnią może lokalnie rosnąc z wysokością.

• Światło biegnąc po linii prostej odchyla się w stronę

gęstszego powietrza a wiec do góry a nie standardowo w kierunku ziemi.

• Wyróżniamy: miraż dolny (obiekty wydają się niżej) miraż górny (obiekty wydają się wyżej)

(20)

• Gdy na rozgrzanym asfalcie widzimy kałuże wody mamy do czynienia z mirażem dolnym a

„woda” jest obrazem nieba.

• Promienie słoneczne padając od góry zostają załamane w górę. Ten typ mirażu daje odwrócone obrazy obiektów przy silnym ich

zniekształceniu

(21)

•Miraż górny występuje gdy nad danym Miraż górny występuje gdy nad danym obszarem występuje wyżej cieplejsze obszarem występuje wyżej cieplejsze powietrze niż przy ziemi (inwersja).

powietrze niż przy ziemi (inwersja).

Wówczas promienie odchylają się ku Wówczas promienie odchylają się ku

dołowi i mogą ukazywać odwrócony obraz dołowi i mogą ukazywać odwrócony obraz odległego obiektu. Występuje rzadziej niż odległego obiektu. Występuje rzadziej niż miraż dolny ale można się z nim zetknąć na miraż dolny ale można się z nim zetknąć na morzu gdy jest ono chłodniejsze od

morzu gdy jest ono chłodniejsze od powietrza. Mogą one dawać obrazy powietrza. Mogą one dawać obrazy zwielokrotnione zarówno proste jak i zwielokrotnione zarówno proste jak i obrócone.

obrócone.

Przykładem tego zjawiska jest

Przykładem tego zjawiska jest fatamorganafatamorgana gdy odlegle obiekty wydają się nienaturalnie gdy odlegle obiekty wydają się nienaturalnie wydłużone i sprawiają wrażenie wysokich wydłużone i sprawiają wrażenie wysokich

(22)

Zjawiska związane z dyfrakcja światła Zjawiska związane z dyfrakcja światła

Dyfrakcja - ugięcie fali powstałe przy napotkaniu przeszkody na jej drodze.

Zjawisko to jest tym bardziej widoczne im bardziej średnica przeszkody jest zbliżona do długości fali.

W wyniku ugięcia i nakładania się fal powstają obrazy dyfrakcyjne.

W atmosferze przeszkodami na drodze światła są najczęściej kropelki wody i kryształki lodu.

Zjawiska związane z dyfrakcją:

Iryzacja Wieniec

sin=d/

(23)

Iryzacja

Iryzacja – najczęściej spotykane zjawisko – najczęściej spotykane zjawisko optyczne w atmosferze

optyczne w atmosferze

• Występuje w postaci barwnych pasm na obrzeżach

cienkich chmur tj. altocumulus, altostratus i cirrocumulus.

• Widoczna najwyraźniej 30-35 stopni od Słońca i ponieważ występuje po tej samej stronie co Słońce często zostaje niezauważona.

• Występuje również w obecności Księżyca

• Pasmo danego koloru wskazuje, w którym miejscu chmury kropelki lub kryształki mają podobne rozmiary.

• Słabsze kolory występują gdy w chmurach cząstki mają rożne rozmiary.

(24)

Przykłady iryzacji

(25)

Wieniec Wieniec

• Zjawisko optyczne otaczające tarcze Słońca lub Księżyca występujące w chmurach altocumulus i altostratus

• Wieniec składa się z wewnętrznej aureoli oraz jednego lub więcej barwnych pierścieni.

• Powstaje przez uginanie się promieni na kropelkach wody bez

wnikania do ich wnętrza. Barwy powstają wskutek interferencji, gdyż światło dociera do obserwatora biegnąc różnymi drogami o

odmiennej odległości.

• Barwy i ich czystość zależy od wielkości i jednorodności kropelek w chmurze.

• Jednakowe krople tworzą najczystsze barwy.

• Wnętrze wieńca jest niebiesko-białym kręgiem światła o brązowo- czerwonych obrzeżach. Jeśli chmura zawiera krople o różnych wielkości aureola jest jedyna widzialna częścią wieńca.

• Gdy krople są jednakowe widać jeden lub więcej pierścieni z

(26)

Wieniec cd.

• Wskutek rożnego rozmieszczenia kropelek w chmurze wieniec może mieć nieregularny zarys.

• Jeśli przesuwająca się na tle Słońca lub

Księżyca chmura nie zmienia wieńca można przyjąć iż kropelki maja jednakowa wielkość i są równomiernie rozłożone.

• Wyjątkowo rzadko pojawia się wieniec przy braku chmur. Zjawisko ma ten sam charakter ale dyfrakcja światła występuje na drobinach zanieczyszczeń powodując aureole otoczona bladym okręgiem

(27)

Zjawiska optyczne w górnej atmosferze Zjawiska optyczne w górnej atmosferze

• Zorze polarne (aurora borealis - zorza północna, aurora australis -zorza

południowa)

• Obłoki stratosferyczne

• Obłoki mezosferyczne

(28)

Zorze polarne Zorze polarne

• Powstają na wysokości około 100 km

• Cząstki wiatru słonecznego (protony elektrony)

poruszają się w polu magnetycznym Ziemi zderzają się z atomami i cząsteczkami powietrza. Prowadzi to

wzbudzania cząsteczek powietrza, które wracając do stanu podstawowego emitują światło zielone i różowe (tlen) i czerwone i niebieskie (azot)

• Widoczne najczęściej w rejonach polarnych szczególnie podczas dużej aktywności Słońca.

• Widoczne najczęściej po zmroku i mogą mieć odmiany:

Pulsacji migotania i płomienistości

• Trwają od 10 minut do kilku godzin

(29)

(30)

Obłoki stratosferyczne Obłoki stratosferyczne

• Obserwowane po wyżej 50 stopnia szerokości geograficznej kolorowe chmury widoczne tuz po zachodzie lub tuz przed wschodem Słońca. Ich kolory związane sa z iryzacja czyli dyfrakcja (ugięciem) światła na cząstkach chmur.

• Często przybierają perłowe kolory i przypominają chmury rodzaju

cirrocumulus lenticularis (soczewkowe).

Światło ugina się na bardzo małych kryształkach lodu i świadczy o znacznej dynamice w ruchach pionowych.

• Druga odmiana tego zjawiska to

chmury święcące bielą, gdyż zawierają znacznie większe kryształy i świadczą o powolnym ochładzaniu stratosfery (np.

jesienią).

(31)

Obłoki mezosferyczne Obłoki mezosferyczne

• są to nocne obłoki święcące na wysokości 80-85 km widoczne tylko do 60 stopnia szerokości geograficznej.

• widoczne jako oświetlone przez Słonce chmury podczas gdy

powierzchnia ziemi spowita jest już w ciemności.

• przypominają chmury cirrus lub cirrostratus i przybierają niebiesko- białą barwę i im bliżej wschodu lub zachodu Słońca tym maja bardziej żółtawe zabarwienie. Badanie ich przesuwania dostarcza informacji o cyrkulacji powietrza w wyższych warstwach atmosfery.

• chmury składają się z kryształków lodu ale niepewności budzi

(32)

Zjawiska związane z kryształami lodu Zjawiska związane z kryształami lodu

Łuk zenitalny

Górny łuk styczny

Mały pierścień halo 22

Dolny łuk styczny Słońca poboczne

Koło horyzontalne parheliczne

Pojawiają się wokół Słońca lub Księżyca w przeciwieństwie do tęczy, która występuje wokół punktu przeciwsłonecznego

(33)

(34)

Halo 22 Halo 22

^o^o

Powstaje w wyniku załamania światła ma heksagonalnych kryształach

ustawionych chaotycznie w

atmosferze. Światło przechodzi przez co drugą ścianą kryształu.

W atmosferze jednak rzadko kryształy ustawione są we wszystkich możliwych kierunkach dlatego rzadko

Halo występuje zarówno wokół Słońca jak Księżyca jednak częściej w

ostatnim przypadku gdyż w ciągu dnia blask Słońca uniemożliwia

niejednokrotnie obserwacje Halo

(35)

Powstawanie Halo 22 Powstawanie Halo 22

^o^o

Kąt najmniejszego odchylenia w pryzmacie

(36)

Słońca poboczne Słońca poboczne

Jaśniejsze punkty na 22 stopniowym halo wywołane załamaniem światła na

kryształach opadających płaską

powierzchnia horyzontalnie. Punkty są jaśniejsze bo kryształów tak

zorientowanych jest najwięcej w powietrzu.

(37)

Koło horyzontalne parheliczne Koło horyzontalne parheliczne

Powstaje tak samo jak słońca poboczne wskutek odbicia od kryształów

płytkowych zawieszonych poziomo w atmosferze.

(38)

Górny i dolny łuk styczny Górny i dolny łuk styczny

Powstają one na kryształach „ołówkowych”

ustawionych dłuższą osią w płaszczyźnie horyzontalnej. Takie ustawienie jest

charakterystyczne dla mało stabilnej

warstwy powietrza gdy kryształy swobodnie opadają

(39)

Słupy pionowe Słupy pionowe

Powstaje w skutek odbicia od

(40)

Halo 46 Halo 46

^o^o

• Widywane jest bardzo rzadko ze względu na mała

intensywność

• Powstaje gdy światło

przechodzi przez podstawę wychodzi jednym z boków kryształu nachylonym pod kątem 90^o do podstawy.

(41)

Zjawiska towarzyszące Halo 46 Zjawiska towarzyszące Halo 46

^o^o

Łuk horyzontalny

• Widoczny jedynie gdy

wysokość Słońca przekracza 58^o gdyż jest po niżej dużego pierścienia Halo 46.

• Powstaje tak samo jak łuk zenitalny

Łuk zenitalny

• Pojawia się gdy słońce jest na wysokości około 5-30^o

• Jest częścią koła którego

środek znajduje się w zenicie.

• Powstaje na tych samych kryształach co Halo 46

Oba łuki maja najczystsze barwy widma optycznego spośród

wszystkich zjawisk Halo

(42)

Łuki Parry’ego

(43)

Łuki Lowitza

(44)

Bogactwo zjawisk Halo Bogactwo zjawisk Halo

Less frequently seen halos

An all sky HaloSim

simulation for a 26° high sun and very well aligned cloud crystals.

Some of these halos might be expected to be visible on average more than once a year. Others are once in a lifetime sights.

Click the halo key to reach descriptions.

(45)

Promienie słoneczne Promienie słoneczne promienie zmierzchowe promienie zmierzchowe

• Powstają w wyniku dużej ilości

cząstek rozpraszających. Zarówno ze względu na wysoką wilgotność jak i zanieczyszczenia.

(46)

Widmo Brockenu Widmo Brockenu

•Nazwa pochodzi od miejsca pierwszej obserwacji,

najwyżej góry Harzu w Niemczech.

•Występuje w postaci cienia osoby rzuconego na chmurę lub mgłę. Często cień

otoczony jest kolorowymi pierścieniami.

(47)

Gloria Gloria

Zjawisko podobne do widma Brockenu jednak widoczne w

samolotu. Składa się z barwnych pierścieni otaczających cień

samolotu rzucany na chmurę.

Postawie w wyniku rozpraszania światła na kroplach lub

kryształach lodu.

(48)

Cień Ziemi

(49)