Dane INFORMACYJNE

2. Dane INFORMACYJNE • Nazwa szkoły: • Zespół Szkół Ponadgimnazjalnych im. Franciszka Ratajczaka • ID grupy: 97/45 • Kompetencja: Matematyczno-fizyczna • Temat projektowy: • Zjawiska optyczne (świetlne) w atmosferze • Semestr/rok szkolny: • Semestr realizacji projektu-pierwszy, • rok szkolny 2009/2010

3. Czym jest światło? • Chcąc mówić o zjawiskach świetlnych w atmosferze musimy zacząć od tego czym właściwie jest światło. • Światło jest falą elektromagnetyczną. • Począwszy od podczerwieni, długość fali dłuższa od światłą widzialnego, sięga aż do promieni X. Zakres światła widzialny dla ludzkiego oka jest bardzo krótki: obejmuje on długość fali między 700 a 400 nanometrów – od czerwieni do ultrafioletu.

4. Czym jest światło? • Jeśli pozwolimy paść światłu na pryzmat możemy zobaczyć jak załamuje się światło i obserwować kolorowe widmo.

5. Czym jest światło? • Pierwotną teorią optyczną była optyka geometryczna i jej podstawowe prawa: prawo odbicia światła i prawo załamania światła. • Prawa te sformułowane zostały odpowiednio: w 1618 i 1621 roku przez holenderskiego astronoma, matematyka i fizyka - Snelliusa (Willebrorda Snella van Royena) • Z czasem badania nad tymi prawami spowodowały stworzenie opisu zjawiska całkowitego wewnętrznego odbicia.

6. Czym jest światło? • Prawo odbicia światła: • Kąt odbicia światła jest równy kątowi padania, przy czym promień padający, odbity i prosta prostopadła do powierzchni granicznej poprowadzona w punkcie padania leżą w jednej płaszczyźnie.

7. Czym jest światło? • Prawo załamania światła na granicy ośrodków ma postać:

8. Czym jest światło? • Całkowite wewnętrzne odbicie to zjawisko zachodzące dla światła, występujące na granicy ośrodków o różnych współczynnikach załamania-światło padające na granicę od strony ośrodka o wyższym współczynniku załamania pod kątem większym niż kąt graniczny, nie przechodzi do drugiego ośrodka, ale całkowicie się odbija.

9. Czym jest światło? • Do światła nie można podchodzić tylko ze strony geometrycznej - Huygens postawił konkurencyjną, do teorii Snelliusa, hipotezę o falowej naturze światła. • Teza ta, oprócz praw optyki geometrycznej, tłumaczyła zjawiska dyfrakcji i interferencji. • Oba te zjawiska stanowią do dziś o falowej naturze badanych zjawisk i cząstek.

10. Czym jest światło? • Dyfrakcja to zjawisko polegające na zaburzeniu prostoliniowego rozchodzenia się promieni świetlnych.Dyfrakcji ulega światło tylko na takich przeszkodach (szczelinach), których rozmiary są porównywalne z długością fali świetlnej.

11. Czym jest światło? • Interferencja to zjawisko nakładania się fal świetlnych. Zjawisko to potwierdza falową naturę światła. Zjawisko to po raz pierwszy zaobserwował Thomas Young - umieścił on mocne źródło światła za przesłoną, w której wyciął szczelinę. Światło po przejściu przez tę szczelinę trafiało na następną przesłonę, z 2 szczelinami bardzo wąskimi i położonymi bardzo blisko siebie. Szczeliny te - zgodnie z zasadą Huygensa – stały się źródłami nowych fal cząstkowych. Fale te na ekranie dały obraz niezgodny z zasadą prostoliniowego rozchodzenia się promieni świetlnych

12. Czym jest światło? • Obraz składał się z będących wynikiem nakładania się fal wychodzących ze szczelin, prążków interferencyjnych. • W wyniku tego nakładania w pewnych miejscach następowało wzmocnienie (jasne miejsca na ekranie), w innych - wygaszanie (ciemne miejsca)

13. Czym jest światło? • Światło jest falą – jest też cząstką. Cząstki światła, zwane fotonami, mają kształt spłaszczonej sfery, nie mają one ładunku elektrycznego ani masy spoczynkowej, lecz nadal są cząstkami. • Badaniem tej części natury światła zajmuje się optyka kwantowa. To dzięki cząsteczkowemu podejściu do światła Einstein, bazując na wcześniejszych badaniach Plancka, wyjaśnił istotę zjawiska fotoelektrycznego.

14. Czym jest światło? • Postulat kwantyzacji światła, postawiony przez Plancka oraz potwierdzenie jego poprawności przez Einsteina uświadomiły fizykom możliwość zbudowania lasera.

15. Czym jest światło? • Jeśli będziemy mieli możliwość eksperymentowania ze światłem i jego pochodnymi to doprowadzimy do powstawania niezwykłych, a nieraz pięknych, zjawisk. • Jasne promienie słońca, migotanie gwiazd, ciepła poświata świecy, oślepiające halogeny czy promień lasera – to wszystko są formy światła, naładowane informacjami strumienie energii. Energia ta ukazuje się naszym oczom pod postacią światła.

16. Opis zjawisk świetlnych zachodzących w atmosferze ziemskiej • Atmosfera ziemska jest układem dynamicznym, którego źródłem energii jest promieniowanie słoneczne. Chroni ona Ziemię przez promieniowaniem słonecznym i łagodzi skutki promieniowania elektromagnetycznego. • W atmosferze ziemskiej zachodzą charakterystyczne zjawiska optyczne, których źródłem jest głównie Słońce-takie jak tęcza, halo, gloria, oraz elektryczne do których należą błyskawice.

17. Błyskawice - pioruny • Piorun sam w sobie jest przepływem energii elektrycznej. Pioruny w przyrodzie powstają przez gromadzenie się ładunków elektrycznych w chmurach.

18. Błyskawice- pioruny • W pierwszej fazie powstawania piorunu następuje gromadzenie się ładunków w dolnej części chmury na skutek zderzeń kryształków lodu znajdujących się wewnątrz chmury. Napięcie zapłonu jest rzędu 1000000V.Taki potencjał chmura wytwarza w ciągu pół godziny dzięki silnym, wstępującym i zstępującym prądom powietrza.

19. Błyskawice- pioruny • W chmurze burzowej występują duże krople deszczu, bryłki gradu i lodu. Wędrują one, zderzają się, a rozpadając się na mniejsze wytwarzają ładunki elektryczne. Cząstki spadające zyskują ładunek ujemny, zaś unoszące się - ładunek dodatni.

20. Błyskawice- pioruny • W związku z tym, ładunki ujemne gromadzą się w dolnej części chmury, z kolei dodatnie w górnej. Zgodnie z regułami fizyki, w polu elektrycznym ujemne elektrony przesuwają się w kierunku źródła ładunków dodatnich, zaś dodatnio naładowane jądra wolą np. elektrodę, ziemię lub część chmury naładowaną ujemnie.

21. Błyskawice- pioruny • Jeżeli ładunki natrafią na przeszkodę gromadzą się aż powstała różnica potencjałów pozwoli uzyskać na tyle dużą energię by przebić się przez przeszkodę.

22. Błyskawice- pioruny • Może to być wyładowanie pomiędzy różnymi chmurami, między różnymi obszarami jednej chmury, ziemią lub wodą. Elektrony zaczynają poruszać się w kierunku ziemi tworząc tzw. wyładowanie pilotujące (to wyładowanie porusza się małymi odcinkami rzędu 30 metrów).

23. Błyskawice- pioruny • Jeżeli jest wystarczająco duże natężenie pola elektrycznego to nastąpi rozwój wyładowania głównego. Po przebyciu kilkudziesięciu metrów wyładowanie zatrzymuje się na mikrosekundy, pokonuje kolejne kilkadziesiąt metrów, zatrzymuje się itd. Strumień ten jonizuje powietrze przed sobą, by zmniejszyć elektryczny opór powietrza.

24. Błyskawice- pioruny • Początek 'pilota' porusza się z prędkością 10-100 tys. km/s i nie dosięga zwykle ziemi. Następnie po tym samym kanale, co wyładowanie pilotujące, od chmury wybiega wyładowanie określane jako wstępne. Porusza się ono też przerywanym ruchem, ale z prędkością ok. 10 000 km/s.

25. Błyskawice- pioruny • Świecenie kanału jest teraz intensywne. To wyjątkowo jasne wyładowanie zaczyna biec kanałem w górę i przenosi do chmury prądy dodatnie zwane powrotnymi. Następują kolejne wyładowania wstępne oraz powrotne. Cykl powtarzany jest kilkakrotnie w ciągu ułamka sekundy, dopóki ładunki w chmurze nie zostaną zobojętnione.

26. Błyskawice- pioruny • Wyładowanie zanika - podobnie, jak i wyładowanie wstępne, które się powtarza aż do momentu, gdy dotrze w pobliże powierzchni ziemi (ok. 50 m nad ziemią). Wtedy z powierzchni ziemi wybiega krótka iskra, która dosięga iskrę wstępną.

27. Błyskawice- pioruny • Po połączeniu następuje przepływ prądu elektrycznego w kanale wyładowania głównego od ziemi do chmury. Powietrze rozdziera błysk pioruna przelatującego z prędkością 100 000 km/h. Natężenie płynącego prądu może sięgać dziesiątek tysięcy amperów i stanowi śmiertelne zagrożenie.

28. Błyskawice- pioruny • Przy pomocy satelity badawczego BS6651 zbadano średnie natężenie prądu płynącego przez błyskawicę:- 1% uderzenia ponad 200kA- 10% uderzenia ponad 80kA- 50% uderzenia ponad 28kA- 90% uderzenia ponad 8kA- 99% uderzenia ponad 3kA

29. Tęcza • Tęcza jest to jedno z najpiękniejszych zjawisk optycznych w przyrodzie. Od dawnych czasów przyciągało uwagę człowieka, urzekało poetów, myślicieli, uczonych. • W czasach, gdy mało wiedziano o otaczającym świecie, traktowano tęczę jako znak niebios. Starożytni Grecy przyjmowali, że tęcza to uśmiech bogini Irys.

30. Tęcza • Tęcza powstaje wskutek załamania, rozproszenia oraz całkowitego odbicia światła słonecznego w kroplach wody. Widzimy ją w postaci barwnego łuku na tle chmur deszczowych lub po deszczu w przeciwnym kierunku do położenia Słońca.

31. Tęcza • W tęczy, podobnie jak w widmie, rozróżnia się 7 barw podstawowych przechodzących jedną w drugą. Zjawisko tęczy powstaje przez rozszczepienie światła białego i odbicie go wewnątrz kropel deszczu.

32. Tęcza • Kształt łuku, jaskrawość barw, szerokość pasm zależą rozmiarów i liczby kropelek wody. Duże krople tworzą węższą tęczę z wyraźnie oddzielonymi barwami, zaś małe krople- łuk rozmyty, wyblakły a nawet biały. Właśnie dlatego jaskrawa, wąska tęcza widoczna jest latem po burzy, podczas której padają duże krople deszczu.

33. Tęcza • Teorię, która miała wyjaśnić powstawanie tęczy, jako pierwszy, opracował Kartezjusz- już w roku 1637. objaśnił 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.

34. tęcza • Światło słoneczne wpada do kropli, tam również się załamuje, a równocześnie zawraca. Tak wiec czasem, kiedy słońce jest za nami, a jednocześnie gdzieś przed nami pada deszcz możemy zobaczyć wielobarwne tęcze. Dokładniej jest to widmo kolorów od czerwonego do niebieskiego. Zazwyczaj widzimy jedną tęczę, jednak tęcze zawsze powstają parami, tylko że ta druga rzadziej jest widoczna.

35. Tęcza • W pierwszej tęczy kolor czerwony jest na zewnątrz, a niebieski wewnątrz. Z kolei w drugiej barwy ustawione są odwrotnie, na co rzadko zwracamy uwagę oglądając to zjawisko. Nie często zauważamy, że pod tęczą jest jasno a nad nią ciemniej. Ten to ciemny obszar nazywany jest łukiem Aleksandra.

36. tęcza • Światło przechodzące przez kroplę deszczu po dwóch załamaniach i trzech lub więcej odbiciach rzadko jest dostatecznie mocne, aby stworzyć dostrzegalny łuk. • Schemat powstawania • Łuku głównego tęczy:

37. tęcza • Czasami uda się zaobserwować długi łuk o odwrotnym rozkładzie barw. To tzw. tęcza wtórna, współśrodkowa względem tęczy pierwotnej, o promieniu kątowym około 52 stopnie. Powstaje ona, gdy promienie ulegają dwukrotnemu odbiciu wewnątrz kropli. • Schemat powstania • Tęczy wtórnej

38. tęcza • Przy wysokości Słońca 41 stopni tęcza przestaje być widzialna, a nad horyzontem widać tylko cześć tęczy wtórnej.

39. tęcza • Gdy wysokość Słońca przekracza 52 stopnie nie widać nawet tęczy wtórnej. Dlatego w średnich i równikowych w godzinach południowych tego zjawiska przyrody nigdy się nie obserwuje.

40. halo • Halo (od hálos-oznaczającego tarczę słoneczną) – to 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.

41. halo • 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.

42. halo • 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).

43. halo • 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).

44. halo • 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.

45. halo • 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.

46. halo • 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.

47. halo • 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.

48. Korona • Korona to lśniące barwne pierścienie widoczne wokół Słońca lub Księżyca. Mają one całe spektrum barw od czerwieni najbardziej na zewnątrz do fioletu wewnątrz. Korony powstają poprzez dyfrakcję światła, gdy przechodzi ono przez cienką warstwę kropelek wody w chmurach typu altostratus lub altocumulus.

49. Korona • Warunkiem pojawienia się korony jest to, by warstwa chmur był cienka - światło może w niej zostać rozproszone lub ugięte tylko raz, a krople tworzące chmurę miały zbliżone rozmiary (warunek te spełniony jest najlepiej w nowo powstających lub zanikających chmurach).

50. korona • W zjawisku dyfrakcji kąt ugięcia światła zależy od jego długości fali - dlatego światło białe rozszczepione zostaje na barwy składowe. Barwy nie są jednak dokładnie rozdzielone, częściowo nakładają się sprawiając, że kolory, które widzimy w postaci pierścieni wokół Słońca i Księżyca są ich wynikiem ich mieszania. W centrum korony znajduje się biała aureola powstała z połączenia wszystkich barw.