Dane INFORMACYJNE

2. Dane INFORMACYJNE • Nazwa szkoły: • Zespół Szkół Ogólnokształcących i Zawodowych w Krobi • ID grupy: • 97/84_MF_G1 • Kompetencja: • Projekt matematyczno - fizyczny • Temat projektowy: • Zjawiska optyczne w atmosferze • Semestr/rok szkolny: • Semestr II , rok szkolny: 2009/2010

3. Zjawiska Optyczne w atmosferze

4. ATMOSFERA Atmosfera ziemska, powłoka gazowa otaczająca Ziemię, składająca się z mieszaniny gazów zwanych powietrzem. Składnikiem atmosfery ziemskiej, którego zawartość ulega zmianie, jest para wodna. Do domieszek atmosfery ziemskiej należą m.in.: pyły pochodzenia organicznego (bakterie, pyłki roślinne, spory grzybów) i nieorganiczne (sadza, popiół, cząstki soli morskiej, gazy spalinowe) oraz jony. Skład atmosfery ziemskiej do wysokości kilkudziesięciu kilometrów prawie nie ulega zmianie, maleje tylko jej gęstość. Atmosfera ziemska nie ma wyraźnie zaznaczonej granicy, przechodząc stopniowo w przestrzeń międzyplanetarną.

5. Atmosfera jest ciągle zmieniającą się sceną wspaniałych zjawisk optycznych. Ich obserwacja zachęca do poznania natury światła, która leży u podstaw wszystkich niebiańskich spektakli.

6. OPTYKA Optyka jest nauką o świetle. Historia optyki zaczęła się w Grecji, dwa i pół tysiąca lat temu. ZJAWISKA OPTYCZNE – wszystkie zjawiska dotyczące oddziaływania światła z materią. Szczególnie dotyczy to zjawisk towarzyszących przechodzeniu światła przez atmosferę ziemską.

7. Barwne zachody i wschody słońca, kolorowe tęczę, miraże i inne ciekawe zjawiska występujące w atmosferze są konsekwencją kilku podstawowych praw fizycznych.

8. Światło słoneczne (lub światło Księżyca), biegnąc przez atmosferę ziemską jest pochłaniane, rozpraszane, uginane lub rozszczepiane oraz ulega dyfrakcji na znajdujących się w atmosferze kroplach wody i kryształkach lodu tworzących chmury lub rozproszonych zanieczyszczeniach.

9. Aby zrozumieć zjawisko, które obserwujemy na niebie musimy poznać tych kilka podstawowych praw rządzących optyką geometryczną i falową. Informacje zawarte w tej części prezentacji pozwolą zrozumieć powstawanie tęczy, słońc pobocznych, czy słupów świetlnych i wielu innych.

10. Światło słoneczne odbierane od nas jako światło widzialne jest falą elektromagnetyczną o długościach z zakresu 380 – 770 nm. Jego bieg w atmosferze podlega pewnym zasadom, które można sformułować następująco: ZasadaFermata Światło biegnąc pomiędzy dwoma punktami wybiera drogę „ekstremalną” – drogę, na której przebycie potrzebuje najmniej czasu (lub najwięcej czasu) ZasadaHughensa Każdy punkt ośrodka, do którego dociera czoło fali świetlnej staje się źródłem sferycznych fal wtórnych. Zasady te pozwalają na wyprowadzenie dwóch podstawowych praw opisujących bieg światła w ośrodkach materialnych i na ich granicach: prawa odbicia i prawa załamania.

11. Prawo odbicia

12. Światło w ośrodku jednorodnym rozchodzi się po liniach prostych ze stałą prędkością. W próżni prędkość ta wynosi 299 792 458 m/s i oznaczana jest literą c. W ośrodkach materialnych światło porusza się z mniejszą prędkością; Padając na granicę dwóch ośrodków materialnych światło może ulegać pochłonięciu, rozproszeniu, odbiciu i załamaniu. To, które z tych zjawisk zajdzie, zależy od rodzaju materiału napotykanego przez promień świetlny. Najczęściej mamy do czynienia z częściowym pochłanianiem i rozproszeniem światła. Jeżeli jednak napotykaną powierzchnią jest wypolerowana powierzchnia metalu, wówczas zachodzi zjawisko niemal doskonałego odbicia.

13. Odbicie światła Światło padające na granicę dwóch ośrodków może ulec odbiciu. Odbicie to nagła zmiana kierunku rozchodzenia się fali na granicy dwóch ośrodków powodująca, że powraca ona do medium, z którego pochodzi. Odbicie może dawać obraz lustrzany lub być rozmyte, zachowując tylko właściwości fali, ale nie dokładny obraz jej źródła. Prawo odbicia światła Promień odbity jest równy promieniowi padającemu. Kąt odbicia równy jest kątowi padania. Kąty - padania i odbicia leżą w jednej płaszczyźnie. Typowe, najbardziej nam znane odbicie zachodzi wtedy, gdy drugi ośrodek jest w ogóle nieprzepuszczalny dla światła. Jeżeli dodatkowo w tym drugim ośrodku światło nie jest pochłaniane, to cała wiązka ulega odbiciu. W ten sposób otrzymujemy zwierciadło.Odbicie zwierciadlane może mieć miejsce na gładkiej powierzchni oddzielającej dwa różne materiały, np. lustro wody albo metalizowana powierzchnia.

14. Prawo załamania

15. Załamanie światła Załamanie światła jest spowodowane różną prędkością światła w różnych ośrodkach. Jeśli światło przechodzi z ośrodka rzadszego do gęstszego, gdzie jego prędkość jest mniejsza, to skraca sobie drogę załamując się do normalnej. Z kolei, gdy światło przechodzi z ośrodka gęstszego do rzadszego to załamuje się od normalnej. Bieg promieni świetlnych jest odwracalny i dlatego w przeciwnym kierunku światło biegnie po tej samej drodze.

16. Prawo załamania światła Zmiana kierunku promieni świetlnych podczas załamania nie jest przypadkowa. Opisuje to prawo załamania światła nazywane niekiedy prawem Snelliusa. Prawo załamania światła łączy ze sobą dwa kąty - kąt padania na powierzchnię rozgraniczającą dwa ośrodki i kąt załamania powstający gdy promień przejdzie granicę i zacznie się rozchodzić w drugim ośrodku (patrz rysunek niżej). Warto zwrócić uwagę na fakt, że kąty padania i załamania są liczone od normalnej do powierzchni, a nie od samej powierzchni.

17. Prawo załamania – postać 1 - podstawowa α – kąt padaniaβ – kąt załamaniav1 – prędkość światła w ośrodku 1v2 – prędkość światła w ośrodku 2

18. Inne postacie prawa załamania Zdefiniujmy wielkość zwaną bezwzględnym współczynnikiem załamania ośrodka: v – prędkość światła w ośrodkuc – prędkość światła w próżni (c = 299 792 458 m/s)n – bezwzględny współczynnik załamania Podstawmy teraz tę wielkość do wzoru na prawo załamania, zmieniając nieco postać - tzn. wyliczając prędkość v (wzór otrzymujemy mnożąc obie strony ostatniego równania przez v i dzieląc przez n):

19. Podstawimy teraz wzór w wersji dla ośrodka 1 (n1 – bezwzględny współczynnik załamania w ośrodku 1) A potem w wersji dla ośrodka 2 (n2 – bezwzględny współczynnik załamania w ośrodku 2) Wtedy otrzymamy: n1 – bezwzględny współczynnik załamania ośrodka 1n2 – bezwzględny współczynnik załamania ośrodka 2c - prędkość światła w próżni Stąd ostatecznie będziemy mieli drugą postać prawa załamania światła.

20. Wzór prawa załamania – postać 2 Ta wersja prawa załamania wiąże kąty padania i załamania z bezwzględnymi współczynnikami załamania w obu ośrodkach.

21. Rozszczepienie światła

22. Rozszczepienie w fizyce to zjawisko rozdzielenia się fali na składowe o różnej długości. Spowodowane jest różną prędkością rozchodzenia się promieni świetlnych o różnych barwach. Różna prędkość rozchodzenia się światła owocuje różnym współczynnikiem załamania światła i różnym kątem załamania. Promienie czerwone rozchodzą się w szkle szybciej niż promieniefioletowe, dlatego też załamują się słabiej niż fioletowe.

23. Rozszczepienie najłatwiej jest zaobserwować w pryzmacie, ponieważ załamuje on i rozszczepia światło dwukrotnie dzięki czemu barwne promienie są silniej rozbieżne niż w przypadku załamania jednokrotnego. Ponieważ światło białe jest mieszaniną świateł o wielu barwach, to przepuszczenie go przez pryzmat spowoduje rozdzielenie poszczególnych składowych na piękną tęczę. Pryzmat – na wskutek zachodzącego w nim dwukrotnego załamania, powoduje rozszczepienie światła białego na pojedyncze barwy monochromatyczne.

24. Załamanie i rozszczepienie światła występuje dla większości materiałów przezroczystych. Ono nadaje piękny poblask brylantom i kryształom, powoduje także powstawanie tęczy.

25. Zjawiska optyczne w atmosferze

26. TĘCZA

27. Tęcza to łuk świecący barwami widma o promieniu wynoszącym około 42 stopni, powstający, gdy stojące za obserwatorem Słońce oświetla chmurę deszczową. Wewnątrz łuku znajduje się barwa fioletowa a na zewnątrz czerwona. Niekiedy można zaobserwować drugą tęczę, tak zwana wtórną, o mniejszej jasności i promieniu zewnętrznym 51 stopni. W przypadku tęczy wtórnej, barwa fioletowa znajduje się na zewnątrz, zaś czerwona wewnątrz. Tęcza oglądana z dużej wysokości np. z samolotu, może stanowić pełne koło.

28. Tęcza to zjawisko optyczne występujące w atmosferze ziemskiej. Zjawisko tęczy nie jest możliwe przy bezchmurnym, jak i przy całkowicie zachmurzonym niebie. Warunkiem powstania tęczy jest lokalny deszcz, oświetlony przez promienie słoneczne. Tęczę może wywołać zamiast deszczu oświetlona przez Słońce fontanna lub wodospad. Zjawisko tęczy powstaje w wyniku załamania się i odbicia promieni słonecznych w pojedynczych kroplach wody. Załamanie promieni następuje podczas wchodzeniu i wychodzeniu promieni z kropli, w wyniku czego białe światło słoneczne ulega rozłożeniu na barwy widma. Odbite promienie dochodzą do oczu obserwatora. Ponieważ poszczególne krople są niemożliwe do odróżnienia, tęcza przybiera postać jednolitej wstęgi. Nasilenie barw tęczy zależy od wielkości kropel wody. Im większe krople wody, tym nasilenie barwa większe. Najefektowniejsze tęcze powstają przy silnych i krótkotrwałych opadach deszczu. Przy krótkotrwałych rozpogodzeniach światło słoneczne pada na chmury przynoszące silne deszcze. Bardzo często dochodzi do powstawania tylko fragmentów tęczy. Przyczyną takiego stanu rzeczy, jest fakt iż, zachmurzenie nie jest całkowite i deszcz nie pada wszędzie w jednakowym stopniu. Ważną cechą tęczy głównej - obok układu barw - jest to, że obszar nieba na zewnątrz łuków jest ciemniejszy od obszaru po stronie wewnętrznej. Obszar ten na cześć filozofa Aleksandra z Afodisies, który pierwszy opisał to zjawisko jest nazywany ciemnią Aleksandra.

29. Łuk główny ma barwy niebiesko-fioletowe wewnątrz, czerwoną - na zewnątrz. Jest efektem 2 załamań oraz pojedynczego odbicia światła w kroplach wody. Teorię, która miała wyjaśniać powstawanie tęczy, jako pierwszy, opracował Kartezjusz - już w 1637 roku. Objaśniał on tęczę jako zjawisko związane z odbiciem i załamaniem światła w kroplach deszczu. Powstawanie barw oraz ich kolejność zostały wyjaśnione później, po odkryciu złożonej natury światła białego i jego rozpraszania w różnych ośrodkach. Teoria dyfrakcyjna tęczy została opracowana przez Airy'ego.

30. KOLOR NIEBA

31. Błękitne niebo to zjawisko, które szczególnie zapada w pamięć podczas pobytu w górach. Podczas błękitnego i bezwietrznego dnia, błękit nieba ukazuje się naszym oczom szczególnie intensywnie. Zjawisko to ma większe nasilenie Błękit nieba podczas pory zimowej. W tym samym dniu w dolinach również panuje piękna słoneczna pogoda, jednak błękit nieba nie jest już tak intensywny. Podobnie jest w mieście, niebo jest bladoniebieskie i brak mu głębokiego, granatowego odcienia. Zjawisko błękitnego nieba jest wynikiem współdziałania światła słonecznego i atmosfery. Promienie słoneczne przechodzące przez atmosferę są rozpraszane na skutek napotykania na swojej drodze cząstek pyłu i kropel wody. Skąd bierze się błękit nieba? Gdy do naszych oczu trafiają wszystkie barwy widma, to odbieramy je jako kolor biały. Rozproszeniu w atmosferze ulegają w większości promienie niebieskie. Dzięki temu niebieska część promieni światła słonecznego uzyskuje większe znaczenie niż światło czerwone, żółte lub niebieskie. Od czego zależy natężenie błękitu? Przede wszystkim od elementów „mącących” atmosferę. Elementami tymi są cząstki pyłu i krople wody. Im więcej tego rodzaju elementów w atmosferze, tym błękit nieba jest jaśniejszy. Podczas suchej i słonecznej pogody niebo może wydawać się białe (co często widoczne jest na fotografiach). I na odwrót – brak cząstek pyłu i kropel wody w powietrzu nasila zabarwienie nieba.

32. Błękitne niebo zazwyczaj kojarzone jest z wyżem. Jednak ukazuje się także podczas przejściowego rozpogodzenia (wyż wędrowny), a także przed nadejściem frontu ciepłego, po poprzedzającym go zachmurzeniu następuje krótkotrwałe rozerwanie się powłoki chmur i ukazuje się błękitne niebo. Podczas letnich wyżów, barwa niebieska jest uderzająco blada, co ma związek z wzrostem ilości cząsteczek pyłów i kropel wody w atmosferze. W takim przypadku widzialność pozioma jest bardzo mała, a na horyzoncie widać wyraźne zamglenie. Intensywność błękitu nieba zależy także od pory roku, zjawisko to jest bardziej efektowne podczas wyżu jesiennego lub wiosennego, niż podczas wyżu letniego. Stopień błękitu nieba może wskazywać nadchodzące zjawiska pogodowe. Ciemna barwa nieba często wiąże się z bardzo dobrą widzialnością i zwiastuje zmianę pogody Nie jest wykluczone nagłe załamanie pogody. Natomiast umiarkowany jasny błękit nieba zwiastuje utrzymanie się pięknej, słonecznej pogody. Zmianę pogody na niż zwiastuje przechodzenie barwy niebieskiej do barwy białej nieba.

34. Kolor nieba przy wschodzie i zachodzie Słońca Niebo (chmury) przybiera kolor czerwieni tuż przed lub po zachodzie lub wschodzie słońca, zaś samo słońce jest czerwone tuż przed zachodem. Ten efekt jest wywołany przez rozpraszanie promieni słonecznych. Gdy Słońce jest nisko nad horyzontem, lub poniżej niego, chmury mogą być oświetlone przez promienie słoneczne, które przeszły przez grubą warstwę powietrza (promienie padają pod małym kątem w stosunku do powierzchni ziemi). W świetle tym fale o mniejszej długości są rozproszone, a pozostają w nim głównie fale o największej długości (czerwone). Światło to jest rozpraszane przez kropelki chmur i nadaje im czerwony kolor (ale efekt rozpraszania przez krople chmurowe nie odgrywa już znaczenia w określeniu koloru). Nie ma różnicy w opisie fizycznym czerwonego koloru słońca dla wschodu i zachodu słońca ponieważ w jednym i w drugim wypadku promienie słońca przechodzą przez grubą warstwę atmosfery. Różnica polega na tym, że wieczorem może być więcej aerozoli atmosferycznych (pyłów zawieszonych w powietrzu), które także przyczyniają się do rozpraszania światła.

35. SŁUP SŁONECZNY

36. Słup słoneczny - zjawisko optyczne w atmosferze polegające na ukazaniu się kolumny świetlnej. Zjawisko powstaje w wyniku odbicia światła nisko położonego Słońca lub innego źródła światła na powierzchni uporządkowanych swobodnym opadaniem kryształów płatkowych lodu.Jeśli powstanie to najłatwiej jest go zaobserwować tuż przed wschodem Słońca lub tuż po jego zachodzie. Przybiera wtedy formę świetlnej kolumny, na ogół zabarwionej czerwonawo, przemieszczającej się wraz z ruchem Słońca pod horyzontem. Gdy Słońce jest ponad horyzontem często mogą towarzyszyć mu także parhelia.

39. ZORZA POLARNA

40. Zorza polarna to bardzo efektowne zjawisko występujące na półkuli północnej na północnym niebie. Może występować w postaci płomienistych fal światła roztaczających się od horyzontu po zenit lub błyszczących łuków światła nad horyzontem rozchodzących się we wszystkich kierunkach. Światło przeważnie ma barwę czerwoną, niekiedy można jednak podziwiać zorzę o barwach zielonożółtych, błękitnych oraz srebrzystych. Zorze polarne powstają na skutek burz magnetycznych na Słońcu. Z powierzchni Słońca wyrzucane są wtedy ogromne ilości naładowanych cząstek (głównie protonów i elektronów) o wysokiej energii. Tworzą one tak zwany wiatr słoneczny. Kiedy wiatr słoneczny dotrze w pobliże Ziemi, oddziaływuje z polem magnetycznym Ziemi. Na skutek tego elektrony poruszają się ruchem spiralnym wzdłuż linii ziemskiego pola magnetycznego i w końcu zderzają się w pobliżu biegunów magnetycznych z cząsteczkami azotu i tlenu wzbudzając je, które wracając do stanu podstawowego wypromieniowują energię w postaci kwantów światła.

42. MIRAŻ

43. Miraż (fatamorgana) zjawisko optyczne występujące w atmosferze, polegające na tworzeniu się pozornych (podwójnych lub wielokrotnych) obrazów będących odbiciem przedmiotów znajdujących się na horyzoncie lub poza nim.Miraż powstaje jako skutek zakrzywienia się promieni słonecznych w dolnych warstwach powietrza, cechujących się różną gęstością (temperaturą). Jeśli pozorny obraz jakiegoś obiektu jest widoczny powyżej przedmiotu, to mówimy o mirażu górnym, jeśli poniżej - o mirażu dolnym.W obszarach pustynnych najczęściej obserwuje się miraże dolne, które powstają zwykle przed południem przy silnie nagrzanym powietrzu przy powierzchni ziemi. Miraż górny najczęściej jest obserwowany w wysokich szerokościach geograficznych.

44. SŁOŃCE POBOCZNE

45. Słońce poboczne-zjawisko optyczne w atmosferze. Jest ono jasną plamą światła, powstającą zazwyczaj na przecięciu halo 22-stopniowego oraz kręgu parhelicznego. Występuje często po obu stronach słońca; szczególnie dobrze jest widoczne, gdy słońce jest nisko nad horyzontem. Im słońce znajduje się wyżej, tym większa jest odległość słońc pobocznych od miejsca przecięcia się halo 22-stopniowego i kręgu parhelicznego. Słońca poboczne są jednym z najczęściej obserwowanych typów halo. Powstają one w wyniku załamania się promieni słonecznych na kryształach lodu występujących w formie sześciokątnych płytek opadających w pozycji poziomej, podobnie jak opadające liście. W sprzyjających warunkach, gdy znajdujemy się ponad chmurami (np. na pokładzie samolotu, w górach) możliwe jest niekiedy dostrzeżenie podsłońca i towarzyszących mu parhelionów (podsłońc pobocznych) poniżej horyzontu. Powstają one podobnie jak zwykłe parheliony, przy większej liczbie odbić światła od płaskiej, poziomej powierzchni kryształków lodu. Zjawisko takie było obserwowane także w halo powstającym wokół Księżyca.

47. HALO

48. Halo (od greckiego hálos – tarcza słoneczna) – zjawisko optyczne zachodzące w atmosferze ziemskiej obserwowane wokół tarczy słonecznej lub księżycowej. Jest to świetlisty, biały lub zawierający kolory tęczy (wewnątrz czerwony, fioletowy na zewnątrz), pierścień widoczny wokół słońca lub księżyca. Część nieba wewnątrz kręgu jest tak samo ciemna jak na zewnątrz. Zjawisko wywołane jest załamaniem na kryształach lodu i odbiciem wewnątrz kryształów lodu znajdujących się w chmurach pierzastych piętra wysokiego (cirrostratus) lub we mgle lodowej. Najczęściej występuje tzw. małe halo o rozmiarze kątowym 22°, powstające przez załamanie na powierzchniach kryształów o kącie łamiącym 60°. W atmosferze polarnej lub w przypadku atmosfer planetarnych możliwe są okręgi halo o innych promieniach, jeżeli kryształy lodu mają kształt inny niż sześciokątne kolumny lub płytki (np. sześciany). Rzadziej widoczne bywa duże halo o rozmiarze kątowym 46°, powstające podczas załamania światła na krawędziach kryształów wzajemnie do siebie prostopadłych (kryształy lodu mają budowę graniastosłupa prostego o podstawie sześciokątnej). Wielkość halo określa się na podstawie rozmiarów kątowych. . W zależności od punktu obserwacji efekt halo tworzą różne, tego samego kształtu, kryształy w chmurze, oświetlone w ten sam sposób. Do zjawiska nie sposób się zbliżyć, bo jest ono specyficznym obrazem Księżyca lub Słońca. Pozorna odległość do halo wynosi więc odpowiednio: ok. 400 000 km albo ok. 150 mln km. Natomiast zasięg widoczności halo określony jest przez rozmiar chmury, na której rozprasza się światło. Halo jest często obserwowane w niewielkiej odległości kątowej od słońca i podczas takich obserwacji należy chronić oczy przed bezpośrednio padającym światłem Słońca - ze względu na ryzyko trwałego upośledzenia wzroku. Światło słońca padające bezpośrednio przez dłuższy czas na elementy światłoczułe aparatu fotograficznego lub kamery może je uszkodzić, dlatego podczas fotografowania zjawiska tarczę słoneczną powinno się zasłaniać.

49. Złożone zjawisko optyczne: małe halo wokół słońca, słońca poboczne (parheliony), górny łuk styczny oraz krąg parheliczny. Zdjęcie wykonano na biegunie południowym.

50. Halo (łuk okołozenitalny) powstałe na chmurze cirrocumulus