Optyka w atmosferze

Ta część naszej strony powstała z połączenia naszych dwóch fascynacji - zamiłowania do przyrody i górskich wędrówek oraz zainteresowania fizyką, którą studiowaliśmy przez pięć lat. Historia strony zaczęła się właściwie od zajęć z fizyki środowiska, w których uczestniczyliśmy na czwartym roku studiów i na które przygotowaliśmy prezentację na temat zjawisk optycznych w przyrodzie. Książki, które wówczas przewertowaliśmy i setki zdjęć, które oglądaliśmy na stronach internetowych sprawiły, że temat ten wciągnął nas na dobre. Od tamtej pory częściej i uważniej spoglądamy w niebo...

W lipcu 2002 roku obroniliśmy nasze prace magisterskie i teraz jesteśmy na pierwszym roku studiów doktoranckich z fizyki. W ciągu tych dwóch lat udało nam się sfotografować kilka pięknych zjawisk optycznych i swoja wiedzą na ich temat postanowiliśmy podzielić się z Wami przez internet. Mamy nadzieję, że zamieszczone tu wyjaśnienia ich powstawania nie pozbawią ich dla Was uroku a jedynie zachęcą do głębszego poznania i zrozumienia no i oczywiście do 'polowania' na nie z obiektywem...

Aby zrozumieć zjawiska, które obserwujemy na niebie poznać musimy kilka podstawowych praw rządzących optyką geometryczną i falową. Zapraszamy do krótkiej ilustrowanej podróży w głąb optyki, która da nam podstawy do zrozumienia powstawania tęcz, słońc pobocznych i zjawiska halo, słupów świetlnych, koron i glorii, iryzacji chmur oraz miraży i fatamorgan...

Odbicie i załamanie światła

Światło słoneczne odbierane przez nas jako światło widzialne jest falą elektromagnetyczną o długościach z zakresu 380-670 nm. Jego bieg w atmosferze podlega pewnym zasadom, które sformułować można następująco:

Zasada Fermata: Światło biegnąc pomiędzy dwoma punktami w przestrzeni wybiera drogę 'ekstremalną' - drogę na której przebycie potrzebuje najmniej czasu (lub najwięcej czasu).

Zasada Hughensa: Każdy punkt, 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.

Prawo odbicia: Promień odbity leży w płaszczyźnie padania, przy czym kąt odbicia jest równy kątowi padania.

Prawo załamania (prawo Snelliusa): Promień załamany leży w płaszczyźnie padania, a kąt załamania jest związany z kątem padania zależnością:

gdzie:
n₁₂ - względny współczynnik załamania światła dla dwóch ośrodków przez które biegnie promień
n₁, n₂ - współczynniki załamania światła dla ośrodków przez które biegnie promień
alfa - kąt padania równy kątowi odbicia
beta - kąt załamania
Prawo to sformułował w 1620 roku Holender Willebrord Snell (1580-1626), profesor fizyki na uniwersytecie w Lejdzie (warto wiedzieć, że oprócz sformułowania przytoczonego prawa dokonał on wielu odkryć, m.in. opracował zasadę pomiarów triangulacyjnych i na ich podstawie wyznaczył długość południka. Z wzoru tego wynika bardzo ważny wniosek, który wykorzystamy nieco później w rozważaniach dotyczących zjawiska refrakcji, mianowicie przechodząc pomiędzy ośrodkami o różnych współczynnikach załamania, światło ulega zakrzywieniu w kierunku ośrodka o większym n.

Robiąc pewnie uproszczenie można wyobrazić sobie, że światło przechodząc z rzadszego do gęściejszego ośrodka, traci prędkość i skręca w kierunku normalnej (linii prostopadłej do granicy między tymi dwoma ośrodkami).
Bardzo ważnym zagadnieniem powiązanym z prawem załamania światła, jest zależność współczynnika załamania od długości fali światła. Istnienie tej zależności, powoduje, że podczas przechodzenia światła białego przez niektóre materiały, następuje rozszczepienie wiązki. W przypadku kropli wody, kryształków lodu lub pryzmatów szklanych część niebieska i fioletowa widma odchylana jest silniej a część czerwona słabiej. Efekt ten najpiękniej uwidacznia się w postaci barw tęczy, a czasem widoczny jest także w lekkim zabarwieniu pierścieni halo.

W optyce atmosferycznej największe znaczenie ma opis odbicia i załamania promieni świetlnych przy przejściu przez kroplę wody oraz przez kryształki lodu.

Już Kartezjusz pokazał geometrycznie, że wskutek załamania i odbicia światła wewnątrz kropli wody, następuje koncentracja promieni wychodzących z kropli pod maksymalnym kątem wynoszącym około 40-42°.
Przeanalizujmy dokładnie bieg promienia wewnątrz kulistej kropli. Światło słoneczne (reprezentowane tu przez wiązkę równoległych promieni, gdyż można założyć, że Słońce - źródło światła - znajduje się w nieskończonej odległości od rozpatrywanej kropli) wnika do wnętrza kropli ulegając załamaniu i częściowemu odbiciu na jej powierzchni. Następnie światło biegnie wewnątrz kropli i natrafia na jej przeciwległą powierzchnię, gdzie znów ulega częściowemu załamaniu i odbiciu. Część światła, która uległa odbiciu ponownie biegnie wewnątrz kropli i po raz kolejny zostaje odbita i załamana na granicy woda-powietrze. Oznacza to, że za każdym razem część wiązki światła opuszcza kroplę, podczas gdy niewielki jej procent wskutek odbicia pozostaje w jej wnętrzu. W przyrodzie urody temu zjawisku dodaje fakt, że wewnątrz kropli światło białe ulega rozszczepieniu wskutek dyspersji - kroplę pod nieco różnymi kątami opuszczają różnobarwne promienie, co oczywiście obserwujemy np. w postaci tęczy.

W opisie zjawisk optycznych duże znaczenie ma dobicie i załamanie światła na kryształkach lodu, tworzących chmury. Kryształki te mogą mieć różne kształty ale najczęściej występują kryształki o kształcie płytkowym lub ołówkowym.
Ich różnorodne kształty, uporządkowanie i wielkość są przyczyną wielkiej różnorodności zjawisk jakie powstają wskutek przechodzenia i załamania światła. Dwa najważniejsze przypadki jakie należy rozważyć to odbicie promienia świetlnego od powierzchni kryształku i przejście promienia świetlnego przez kryształek. W zjawisku odbicia obowiązuje przytoczone powyżej prawo odbicia - a więc kąt odbicia jest równy kątowi padania promienia świetlnego na powierzchnię kryształu.
Dla zrozumienia wielu zjawisk optycznych duże znaczenie ma opis przejścia światła przez kryształek ołówkowy. Wbrew pozorom zagadnienie to nie jest skomplikowane, gdyż łatwo przekonać się, przedłużając ściany boczne kryształu ołówkowego, że światło przechodzi przez taki kryształ tak jak przez 60-stopniowy pryzmat.