|
Zjawiska œwietlne w atmosferze
Atmosfera chroni nas przed promieniowaniem korpuskularnym S³oñca, a tak¿e przed jego silnym krótkofalowym promieniowaniem elektromagnetycznym. Promieniowanie to przechodzi przez atmosferê i oddzia³ywuj¹c z atomami i cz¹steczkami, stopniowo traci swoj¹ energiê. W atmosferze wyparowuj¹ i gin¹ równie¿ drobne okruchy materii miêdzyplanetarnej, które przy braku atmosfery nieustannie spada³yby na powierzchniê Ziemi i uprzykrza³y nam ¿ycie. Ich przelot przez atmosferê widzimy jako “spadaj¹ce gwiazdy", meteory. Pod wp³ywem oddzia³ywania wiatru s³onecznego zjonizowane atomy i cz¹steczki atmosfery rekombinuj¹. Powstaje przy tym promieniowanie, obserwowane jako zorza polarna. Barwa zorzy polarne j zale¿y od sk³adu warstw atmosfery, w których zorza powstaje. Na ogó³ zorza polarna bywa ¿ó³tozielona lub zielona, ale obserwuje siê równie¿ barwê czerwon¹, niebiesk¹ lub fioletow¹. Kszta³t zorzy polarnej jest ró¿ny: od jednolitych pasów œwietlnych i barwnych plam a¿ po ko³ysz¹ce siê draperie. Najczêœciej zorze polarne powstaj¹ na wysokoœci 80 - 400 km, ale nierzadko mo¿na je widzieæ nawet na wysokoœciach ponad 1000 km. Cz¹stki wiatru s³onecznego, ze wzglêdu na swój ³adunek elektryczny, poruszaj¹ siê w wiêkszoœci wzd³u¿ linii si³ ziemskiego pola magnetycznego, w kierunku jego biegunów. Najwiêcej zórz polarnych powstaje zatem w rejonach podbiegunowych. Bardzo szybkie cz¹stki wiatru s³onecznego przenikaj¹ do ni¿szych warstw atmosfery tak¿e w œrednich szerokoœciach geograficznych, a nawet w rejonach równikowych, gdzie te¿ s¹ przyczyn¹ powstawania zórz polarnych, na ogó³ w okresach wysokiej aktywnoœci s³onecznej. Dlatego niekiedy mo¿na zobaczyæ zorz¹ polarn¹ i u nas. Najwiêcej zórz polarnych powstaje w okresie maksimów plam s³onecznych i przy silnych wybuchach chromosferycznych. Œwiecenie nocnego nieba jest powodowane w przewa¿aj¹cej czêœci tym samym mechanizmem co œwiecenie zorzy polarnej. Rekombinacja zjonizowa-nych atomów i cz¹steczek atmosfery na wysokoœci 70 - 2000 km przebiega tak¿e w godzinach nocnych i przejawia siê s³abym promieniowaniem nieba nocnego. Natê¿enie tego promieniowania wzrasta w kierunku do biegunów i jest proporcjonalne do aktywnoœci s³onecznej. Œwiecenie nocnego nieba powoduje równie¿ œwiat³o zodiakalne i rozproszone na cz¹steczkach atmosfery œwiat³o gwiazd. Atmosfera wokó³ Ziemi z jednej strony chroni nas przed szkodliwym wp³ywem promieniowania, z drugiej jednak strony przeszkadza nam w obserwacji cia³ na niebie, nie przepuszczaj¹c ca³ego ich promieniowania i os³abiaj¹c przepuszczone. Dla œwiat³a widzialnego atmosfera jest ponadto oœrodkiem optycznie niejednorodnym. Promienie œwiat³a ulegaj ¹ na cz¹steczkach atmosfery wielokrotnemu za³amaniu i odbiciu. Ca³¹ seriê piêknych zjawisk œwietlnych w atmosferze wytwarza za³amanie i odbicie œwiat³a s³onecznego i ksiê¿ycowego na kropelkach wody i kryszta³kach lodu. Poniewa¿ przy za³amaniu œwiat³a nastêpuje równoczeœnie jego rozk³ad na poszczególne barwy, pocz¹wszy od czerwonej poprzez pomarañczow¹, ¿ó³t¹, zielon¹, niebiesk¹ a¿ do fioletowej, wszystkie te zjawiska s¹ kolorowe. Têcza nale¿y do najwspanialszych z nich. Powstaje wskutek za³amania i odbicia œwiat³a s³onecznego na kropelkach wody. Mo¿emy j¹ zobaczyæ zawsze po deszczu, kiedy S³oñce znajduje siê ni¿ej ni¿ 42° nad horyzontem. Im S³oñce jest bli¿ej horyzontu, tym ³uk têczy jest d³u¿szy. Patrz¹c na cieñ swojej g³owy na ziemi, spogl¹damy w kierunku œrodka okrêgu, którego czêœci¹ jest ³uk têczy. Promieñ krzywizny ³uku têczy, czyli k¹t pomiêdzy cieniem g³owy i ³ukiem têczy wynosi zawsze 42°. Têczê mo¿emy dostrzec tak¿e na kropelkach wody rozproszonej na przyk³ad pod prysznicem na k¹pielisku. Ze wzglêdu na charakter za³amania i odbicia œwiat³a na kropelkach wody, têcza powstaje zawsze po przeciwnej stronie nieba ni¿ S³oñce. Dwukrotne wewnêtrzne odbicie promienia œwietlnego w kropelkach wody wytwarza mniej jasn¹ têcz¹ wtórn¹. Dostrze¿emy j¹ po zewnêtrznej stronie g³ównej têczy w odleg³oœci 8° od niej. Podczas gdy g³ówna têcza ma wewnêtrzny brzeg fioletowy i zewnêtrzny czerwony, we wtórnej têczy kolejnoœæ barw jest przeciwna. Barwne widmo wtórnej têczy zaczyna siê barw¹ czerwon¹ z wewnêtrznej strony i koñczy barw¹ fioletow¹ po zewnêtrznej stronie. Nie ca³e œwiat³o przechodz¹ce przez kropelki wody wytwarza têczê. Czêœæ jego przyczynia siê do zwiêkszenia jasnoœci nieba miêdzy powierzchni¹ Ziemi i ³ukiem têczy. Na ogó³ umyka to naszej uwadze, przypatrzmy siê zatem przy okazji, ¿e niebo nad têcz¹ jest ciemniejsze ni¿ pod ni¹. Wskutek przejœcia œwiat³a przez kuliste lub niemal kuliste kropelki wody powstaj¹ têcze o kszta³cie kolistym. Sytuacja siê komplikuje przy przejœciu œwiat³a przez kryszta³ki lodu w atmosferze. Ró¿ne ich kszta³ty, wielkoœci oraz w ró¿ny sposób zorientowane p³aszczyzny ³ami¹ce s¹ przyczyn¹ powstawania wielkiej liczby bardzo ró¿nych zjawisk œwietmych.Wymienimy tu jedynie najbardziej okaza³e. S³oñcem pobocznym nazywamy barwn¹ plam¹ œwietln¹ z brzegiem wewnêtrznym w kolorze czerwonym, widoczn¹ na tej samej wysokoœci co S³oñce, w odleg³oœci 22° na prawo lub na lewo od niego. Powstaje ono przy przejœciu œwiat³a s³onecznego przez chmurê p³askich kryszta³ków lodowych, zorientowanych podstawami poziomo, o œcianach za³amuj¹cych œwiat³o ustawionych pod k¹tem 60°. Poboczne S³oñce, w odró¿nieniu od têczy, znajdziemy z tej samej strony nieba co S³oñce prawdziwe. Halo wokó³ S³oñca lub Ksiê¿yca nale¿y chyba do najwspanialszych zjawisk œwietlnych. Powstaje przy przejœciu œwiat³a s³onecznego lub ksiê¿ycowego przez chmurê zawieraj¹c¹ bardzo drobne kryszta³ki lodu z ró¿nie zorientowanymi œcianami ³ami¹cymi. Kryszta³ki z p³aszczyznami ³ami¹cymi tworz¹cymi k¹t 60° powoduj¹ ma³e halo, pierœcieñ wokó³ S³oñca lub Ksiê¿yca o promieniu 22°, kryszta³ki zaœ o k¹cie ³ami¹cym 90° tworz¹ du¿e halo, czyli pierœcieñ o promieniu 46°. Du¿e halo jest jednak zjawiskiem bardzo rzadkim. £uk oko³ozenitalny jest nadzwyczaj jasnym i barwnym zjawiskiem. Mo¿emy go dostrzec w pobli¿u zenitu, gdzie ma œrodek krzywizny. Powstaje przy przejœciu œwiat³a s³onecznego przez kryszta³ki lodu, które w chmurze s¹ tak samo zorientowane jak przy zjawisku pobocznego S³oñca, ale promienie wchodz¹ tym razem do kryszta³ków przez podstawê, a opuszczaj¹ je przez œcianê boczn¹. £uk oko³ozenitalny bywa oddalony od S³oñca od 46° do 57°, w zale¿noœci od tego jak wysoko S³oñce znajduje siê nad horyzontem. S³up œwietlny powstaje w sposób najprostszy, a mianowicie przez odbicie œwiat³a s³onecznego od zewnêtrznych œcian kryszta³ków lodowych, gdy S³oñce jest nisko nad horyzontem. W analogicznych warunkach atmosferycznych s³up œwietlny mo¿e powstaæ równie¿ w nocy nad sztucznymi Ÿród³ami œwiat³a. Równoczeœnie ze s³upem œwietlnym, na skutek za³amania œwiat³a w kryszta³kach o kszta³cie o³ówka, powstaje tzw. górny ³uk styczny. Mo¿na go zobaczyæ nad s³upem œwietlnym jako plamê œwietln¹ podobn¹ do litery V. Gdy w powietrzu znajduj¹ siê ró¿ne rodzaje kryszta³ków lodowych, mo¿emy równoczeœnie obserwowaæ wiêcej zjawisk œwietlnych. Zjawiska œwietlne powstaj¹ce wskutek za³amania i odbicia œwiat³a s³onecznego w kryszta³kach lodu mo¿emy obserwowaæ na niebie w ka¿dej porze roku i z dowolnego miejsca na Ziemi. Do ich obserwacji nie potrzebujemy ¿adnych przyrz¹dów pomocniczych. Jednak¿e wiêkszoœæ ludzi ich nie widzia³a, a to dlatego, ¿e o nich nie wie i nie próbuje odnaleŸæ ich na niebie. Swoj¹ niebiesk¹ barwê niebo zawdziêcza rozproszeniu s³onecznego œwiat³a na cz¹steczkach atmosfery. Poniewa¿ rozproszenie œwiat³a wzrasta wraz ze zmniejszaniem siê d³ugoœci fali œwiat³a, najwiêkszemu rozproszeniu ulega barwa niebieska. S³oñce widzimy na niebie jako ¿ó³te czêœciowo dlatego, ¿e w jego œwietle przewa¿a barwa ¿ó³ta, a czêœciowo dlatego, ¿e atmosfera rozprasza œwiat³o ¿ó³te mniej ni¿ œwiat³o niebieskie. Nisko nad horyzontem, o wschodzie lub zachodzie S³oñca, jego kolor jest jednak czerwonawy. Œwiat³o s³oneczne przechodzi wtedy d³u¿sz¹ drogê przez atmosferê ni¿ wtedy, gdy znajduje siê w zenicie, i dlatego rozprasza siê wiêcej œwiat³a niebieskiego i ¿ó³tego. Promienie czerwone, które ulegaj¹ najmniejszemu rozproszeniu, widzimy jako najbardziej intensywne i S³oñce ma barwê czerwon¹. Gdy na niebie s¹ chmury lub powietrze zawiera wiele cz¹stek py³u, promienie czerwone odbijaj¹ siê od nich i znaczna czêœæ nieba nad wschodz¹cym lub zachodz¹cym S³oñcem mieni siê barw¹ czerwon¹. Œwiat³o s³oneczne rozproszone w atmosferze jest tak silne, ¿e przewy¿sza jasnoœæ nawet najjaœniejszych gwiazd. Nierzadko jednak mo¿na dostrzec go³ym okiem we dnie najjaœniejsze planety: Wenus, Jowisza, a nawet Merkurego, które s¹ o wiele jaœniejsze ni¿ gwiazdy, trzeba tylko wiedzieæ, gdzie ich szukaæ. Ka¿dy widzia³ te¿ Ksiê¿yc nie tylko w nocy, ale i w dzieñ. Chocia¿ ju¿ od czasów Arystotelesa istnieje tradycja, ¿e gwiazdy mo¿na widzieæ z dna g³êbokiej studni, z przeœwitów w piramidach lub z dna wysokich kominów, nie jest to jednak prawda. Œciany studni lub kominów zas³aniaj¹ jedynie œwiat³o padaj¹ce z boku. Czêœæ nieba, któr¹ ogl¹damy przez otwory w górze, jest tak samo jasna jak ca³e niebo. We dnie mo¿emy dostrzec jasne gwiazdy przez teleskop. Wskutek przejœcia œwiat³a przez obiektyw lub jego odbicia od zwierciad³a teleskopu, jasnoœæ obserwowanej czêœci nieba ulegnie wiêkszemu os³abieniu ni¿ jasnoœæ punktowego Ÿród³a œwiat³a, gwiazdy. W lunecie o œrednicy obiektywu 7 cm zobaczymy w s³oneczny dzieñ gwiazdy ju¿ 1m, albo nawet do 2m. Najjaœniejsze gwiazdy dostrze¿emy w dzieñ nawet bez lunety z wysokich gór, gdy poni¿ej nas pozostanie wiêksza czêœæ zanieczyszczonych warstw atmosfery, w przewa¿nym stopniu rozpraszaj¹cych œwiat³o s³oneczne. Na przyk³ad z Araratu, z wysokoœci 5000 m n. p. m., mo¿na dostrzec gwiazdy 1m ju¿ o drugiej godzinie po po³udniu. Atmosfera powoduje tak¿e migotanie œwiat³a gwiazd. Gwiazdy, w odró¿nieniu od planet, nie œwiec¹ spokojnym œwiat³em. Wydaje siê, jak gdyby nieregularnie przygasa³y na chwilê, a nastêpnie rozb³yska³y. Jasne gwiazdy nisko nad horyzontem nawet zmieniaj¹ swój kolor. Bardzo silnie i kolorowo gwiazdy migocz¹ podczas mroŸnych nocy, w czasie wiatru i po deszczu. Znany popularyzator astronomii z prze³omu XIX i XX wieku, francuski astronom Camille N. Flammarion tak pisa³ o œwietle gwiazd: “Raz jest jasne, raz s³abe, na przemian bia³e, zielone, czerwone, mieni siê jak przezroczysty diament, o¿ywiaj¹c pustkê nieba i budz¹c w nas wra¿enie, ¿e gwiazdy s¹ oczami spogl¹daj¹cymi na Ziemiê". Migotanie gwiazd jest wywo³ane wielokrotnym za³amaniem i odbiciem œwiat³a gwiazd w atmosferze. W zale¿noœci od liczby za³amañ i odbiæ promienia œwiat³a, zmienia siê jego natê¿enie. A kiedy przy za³amaniu œwiat³o ulega dodatkowo rozszczepieniu na barwne sk³adowe, wraz ze zmianami jasnoœci promienia œwietlnego zmienia siê i jego zabarwienie. Poniewa¿ gwiazda jest punktowym Ÿród³em œwiat³a, migocze. Planety s¹ znacznie bli¿ej ni¿ gwiazdy, dlatego na niebie widzimy je w formie œwiec¹cych tarcz, co prawda o bardzo ma³ych rozmiarach k¹towych. W rzeczywistoœci planety, ze wzglêdu na ich znaczn¹ jasnoœæ, dostrzegamy te¿ tylko jako punktowe Ÿród³o œwiat³a. Poszczególne punkty tarczy planety, niezale¿nie jeden od drugiego, migocz¹ i zmieniaj¹ sw¹ barwê podobnie jak gwiazdy, lecz nie w tych samych momentach. Migocz¹ce punkty na tarczy wzajemnie siê uzupe³niaj¹, tak ¿e ani natê¿enie, ani barwa planety nie zmienia siê.
|
ZJAWISKA ŒWIETLNE W ATMOSFERZE
| |||
Opracowano na podstawie ksi¹¿ki E.Pittich D.Kalmancok - "Niebo na d³oni" |