6. razred v šoli študira temo »Optični pojavi v ozračju«. Vendar pa ne zanima samo radoveden otrokov um. Optični pojavi v ozračju po eni strani združujejo mavrico, spremembo barve neba ob sončnih vzhodih in zahodih, ki jo je vsak videl večkrat. Po drugi strani pa vključujejo skrivnostne fatamorgane, lažne lune in sonca, impresivne haloe, ki so v preteklosti prestrašili ljudi. Mehanizem nastanka nekaterih od njih je še danes do konca nejasen, vendar je splošno načelo, po katerem optični pojavi "živijo" v naravi, dobro preučeno s strani sodobne fizike.
zračna školjka
Zemeljsko ozračje je lupina, sestavljena iz mešanice plinov in se razteza približno 100 km nad morsko gladino. Gostota zračne plasti se spreminja z oddaljenostjo od zemlje: njena najvišja vrednost je na površini planeta, z višino upada. Atmosfere ne moremo imenovati statična tvorba. Plasti plinastega ovojanenehno premikanje in mešanje. Njihove značilnosti se spreminjajo: temperatura, gostota, hitrost gibanja, preglednost. Vse te nianse vplivajo na sončne žarke, ki hitijo na površje planeta.
Optični sistem
Procesi, ki se dogajajo v ozračju, pa tudi njegova sestava prispevajo k absorpciji, lomu in odboju svetlobnih žarkov. Nekateri od njih dosežejo cilj – zemeljsko površino, drugi se razpršijo ali preusmerijo nazaj v vesolje. Zaradi ukrivljenosti in odboja svetlobe, razpada dela žarkov v spekter in tako naprej nastajajo v ozračju različni optični pojavi.
Atmosferska optika
V času, ko je bila znanost v povojih, so ljudje razlagali optične pojave na podlagi prevladujočih idej o strukturi vesolja. Mavrica je povezovala človeški svet z božanskim, pojav dveh lažnih sonc na nebu je pričal o bližajočih se katastrofah. Danes je večina pojavov, ki so strašili naše daljne prednike, dobila znanstveno razlago. Atmosferska optika se ukvarja s preučevanjem takšnih pojavov. Ta znanost opisuje optične pojave v atmosferi na podlagi zakonov fizike. Zna razložiti, zakaj je nebo podnevi modro, ob sončnem zahodu in zori pa spremeni barvo, kako nastane mavrica in od kod prihajajo fatamorgane. Številne študije in eksperimenti danes omogočajo razumevanje takih optičnih pojavov v naravi, kot so pojav svetlečih križev, Fata Morgana, mavrični haloji.
Modro nebo
Barva nebatako znano, da le redko pomislimo, zakaj je tako. Kljub temu fiziki dobro poznajo odgovor. Newton je dokazal, da je pod določenimi pogoji mogoče žarek svetlobe razstaviti v spekter. Pri prehodu skozi atmosfero se del, ki ustreza modri barvi, bolje razprši. Za rdeči del vidnega sevanja je značilna daljša valovna dolžina in je po stopnji razpršenosti 16-krat slabši od vijoličnega.
Hkrati nebo vidimo ne vijolično, ampak modro. Razlog za to je v posebnostih strukture mrežnice in razmerju delov spektra v sončni svetlobi. Naše oči so bolj občutljive na modro in vijolični del sončnega spektra je manj intenziven kot modri.
Škrlati sončni zahod
Ko so ljudje ugotovili, kakšno je ozračje, so optični pojavi zanje prenehali biti dokaz ali znamenje strašnih dogodkov. Vendar znanstveni pristop ne moti estetskega užitka od pisanih sončnih zahodov in nežnih sončnih vzhodov. Svetlo rdeče in oranžne, skupaj z rožnatimi in modrimi, postopoma odstopajo od nočne teme ali jutranje svetlobe. Nemogoče je opazovati dva enaka sončna vzhoda ali sončna zahoda. In razlog za to je v enaki mobilnosti atmosferskih plasti in spreminjajočih se vremenskih razmerah.
Ob sončnih zahodih in vzhodih sončni žarki potujejo do površja daljšo pot kot podnevi. Posledično se razpršena vijolična, modra in zelena gibljejo ob straneh, neposredna svetloba pa postane rdeča in oranžna. Oblaki, prah ali delci ledu prispevajo k sliki sončnega zahoda in zore,visela v zraku. Svetloba se lomi, ko prehaja skozi njih, in obarva nebo v različnih odtenkih. Na delu obzorja, ki je nasproti Soncu, je pogosto mogoče opaziti tako imenovani Venerin pas - rožnati pas, ki ločuje temno nočno nebo in modro dnevno nebo. Čudovit optični fenomen, poimenovan po rimski boginji ljubezni, je viden pred zoro in po sončnem zahodu.
mavrični most
Morda noben drug svetlobni pojav v ozračju ne prikliče toliko mitoloških zapletov in pravljičnih podob kot tisti, ki so povezani z mavrico. Lok ali krog, sestavljen iz sedmih barv, je vsem znan že od otroštva. Čudovit atmosferski pojav, ki se pojavi med dežjem, ko sončni žarki prehajajo skozi kapljice, očara tudi tiste, ki so dodobra preučili njegovo naravo.
In fizika mavrice danes nikomur ni skrivnost. Sončna svetloba, ki jo lomijo kapljice dežja ali megle, se razcepi. Kot rezultat, opazovalec vidi sedem barv spektra, od rdeče do vijolične. Nemogoče je določiti meje med njimi. Barve se gladko prelivajo druga v drugo skozi več odtenkov.
Pri opazovanju mavrice je sonce vedno za osebo. Središče Iridinega nasmeha (kot so stari Grki imenovali mavrico) se nahaja na črti, ki poteka skozi opazovalca in dnevno svetlobo. Mavrica se običajno pojavi kot polkrog. Njegova velikost in oblika sta odvisni od položaja Sonca in točke, na kateri se nahaja opazovalec. Višje kot je svetilo nad obzorjem, nižje pade krog možnega videza.mavrice. Ko Sonce preide 42° nad obzorjem, opazovalec na zemeljski površini ne more videti mavrice. Višje kot je nad morsko gladino oseba, ki želi občudovati Iridin nasmeh, večja je verjetnost, da ne bo videl loka, ampak krog.
Dvojna, ozka in široka mavrica
Pogosto lahko poleg glavne opazite tako imenovano sekundarno mavrico. Če prvi nastane kot posledica enkratnega odboja svetlobe, potem je drugi rezultat dvojnega odboja. Poleg tega se glavna mavrica odlikuje po določenem vrstnem redu barv: rdeča se nahaja na zunanji strani, vijolična pa na notranji strani, ki je bližje površini Zemlje. Stranski "most" je spekter, obrnjen v zaporedju: vijolična je na vrhu. To se zgodi, ker se žarki dežne kapljice odbijajo od dvojnega odseva pod različnimi koti.
Mavrice se razlikujejo po intenzivnosti in širini barve. Najsvetlejše in precej ozke se pojavijo po poletni nevihti. Velike kapljice, značilne za tak dež, povzročijo zelo vidno mavrico z izrazitimi barvami. Majhne kapljice dajejo bolj zamegljeno in manj opazno mavrico.
Optični pojavi v ozračju: aurora borealis
Eden najlepših atmosferskih optičnih pojavov je aurora. Značilen je za vse planete z magnetosfero. Na Zemlji se aurore opazijo na visokih zemljepisnih širinah na obeh hemisferah, v območjih, ki obdajajomagnetni poli planeta. Najpogosteje lahko vidite zelenkast ali modro-zeleni sijaj, ki ga včasih dopolnjujejo bliski rdeče in roza ob robovih. Intenzivna aurora borealis je oblikovana kot trakovi ali gube tkanine, ki se ob bledenju spremenijo v lise. Ob spodnjem robu na temnem nebu dobro izstopajo več sto kilometrov visoki trakovi. Zgornja meja aurore se izgubi na nebu.
Ti čudoviti optični pojavi v ozračju še vedno skrivajo svoje skrivnosti pred ljudmi: mehanizem nastanka nekaterih vrst luminiscence, vzroka za pokanje ob ostrih bliskah, še ni v celoti raziskan. Vendar pa je danes znana splošna slika nastanka aurore. Nebo nad severnim in južnim polom krasi zelenkasto rožnat sij, ko nabiti delci sončnega vetra trčijo z atomi v zgornji atmosferi Zemlje. Slednji zaradi interakcije prejmejo dodatno energijo in jo oddajajo v obliki svetlobe.
Halo
Sonce in luna se pogosto pojavita pred nami, obdana s sijem, ki spominja na halo. Ta halo je zelo viden obroč okoli vira svetlobe. V ozračju najpogosteje nastane zaradi najmanjših delcev ledu, ki sestavljajo cirusne oblake visoko nad Zemljo. Glede na obliko in velikost kristalov se značilnosti pojava spreminjajo. Pogosto ima halo obliko mavričnega kroga kot rezultat razgradnje svetlobnega snopa v spekter.
Zanimiva vrsta pojava se imenuje parhelion. Kot posledica loma svetlobe v ledenih kristalih naNa nivoju sonca nastaneta dve svetli lisi, ki spominjata na dnevno svetlobo. V zgodovinskih kronikah je mogoče najti opise tega pojava. V preteklosti je pogosto veljal za znanilca strašnih dogodkov.
Mirage
Mirage so tudi optični pojavi v ozračju. Nastanejo kot posledica loma svetlobe na meji med plastmi zraka, ki se bistveno razlikujejo po gostoti. V literaturi je opisanih veliko primerov, ko je popotnik v puščavi videl oaze ali celo mesta in gradove, ki jih ni bilo v bližini. Najpogosteje so to »nižje« fatamorgane. Nastanejo na ravni površini (puščava, asf alt) in predstavljajo odsevno podobo neba, ki se opazovalcu zdi vodno telo.
Tako imenovane superiorne fatamorgane so manj pogoste. Nastanejo na hladnih površinah. Superiorne fatamorgane so ravne in obrnjene, včasih združujejo oba položaja. Najbolj znan predstavnik teh optičnih pojavov je Fata Morgana. To je zapletena fatamorgana, ki združuje več vrst odsevov hkrati. Pred opazovalcem se pojavljajo predmeti iz resničnega življenja, ki se večkrat odsevajo in mešajo.
Atmosferska elektrika
Električne in optične pojave v ozračju se pogosto omenjajo skupaj, čeprav so vzroki za njihov nastanek različni. Polarizacija oblakov in nastanek strele sta povezana s procesi, ki se dogajajo v troposferi in ionosferi. Ogromne iskre običajno nastanejo med nevihto. Strela se pojavi v oblakih in lahko udari v tla. So življenjsko nevarniljudi, in to je eden od razlogov za znanstveno zanimanje za tovrstne pojave. Nekatere lastnosti strele so za raziskovalce še vedno skrivnost. Danes vzrok krogelne strele ni znan. Kot pri nekaterih vidikih teorije aurore in fatamorgane, električni pojavi še naprej zanimajo znanstvenike.
Optični pojavi v ozračju, na kratko opisani v članku, postajajo fizikom vsak dan bolj razumljivi. Hkrati pa, kot strela, nikoli ne nehajo presenetiti ljudi s svojo lepoto, skrivnostnostjo in včasih veličastnostjo.
