Atmosferska optika

S Wikipedije, slobodne enciklopedije
Jump to navigation Jump to search
Do raznobojnosti ili šarolikosti neba često dolazi usljed rasijanja svjetlosti od čestica i zagađenja, kao na ovoj fotografiji zalaska Sunca tokom požara u Kaliforniji u oktobru 2007.

Atmosferska optika jest grana optike koja se bavi time kako jedinstvena svojstva Zemljine atmosfere uzrokuju širok raspon spektakularnih optičkih fenomena. Plava boja neba direktan je rezultat Rayleighovog rasijanja, koje preusmjerava Sunčevu svjetlost s višom frekvencijom (plava) nazad u posmatračevo vidno polje. Zbog toga što se plava svjetlost lakše rasijava od crvene, Sunce poprima crvenkastu nijansu kad se posmatra kroz gustu atmosferu, kao prilikom izlaska ili zalaska. Dodatne čestične tvari na nebu mogu rasijati različite boje pod različitim uglovima stvarajući lijep sjaj na nebu u sumrak i zoru. Rasijavanje od kristala leda i drugih čestica u atmosferi odgovorno je za halo, crvenilo neba, koronu, krepuskularne zrake i lažno Sunce. Varijacija u ovim vrstama pojava nastaje usljed različitih veličina čestica i njihovih geometrije.[1]

Miraži su optički fenomeni u kojima su svjetlosne zrake savijene zbog toplotnih varijacija u indeksu prelamanja zrâka, što proizvodi razbacane ili jako izobličene slike udaljenih predmeta. U ostale dramatične optičke fenomene povezane s ovim spada efekt Nove Zemlje, prilikom kojeg se čini da Sunce izlazi ranije nego što je predviđeno i u deformiranom obliku. Spektakularan oblik refrakcije dešava se pri temperaturnoj inverziji, a zove se fatamorgana, prilikom koje predmeti na horizontu ili čak iza horizonta, kao što su ostrva, litice, brodovi ili ledeni bregovi, izgledaju izduženi i izdignuti, kao "dvorci iz bajki".[2]

Duge su rezultat kombinacije unutrašnje refleksije i disperzivne refrakcije svjetlosti u kišnim kapima. Pojedinačna refleksija od mnoštva kišnih kapi proizvodi dugu, čija se ugaona veličina na nebu kreće od 40° do 42°, s crvenom bojom na vanjskoj strani. Dvostruke duge nastaju od dviju unutrašnjih refleksija s ugaonom veličinom od 50,5° do 54°, s ljubičastom bojom na vanjskoj strani. Budući da se duge vide kad je Sunce za 180° udaljeno od njihovog centra, one su izraženije što je Sunce bliže horizontu.[3]

Veličina Sunca i Mjeseca[uredi | uredi izvor]

Usporedba između relativnih veličina Mjeseca i oblaka u različitim tačkama na nebu
Glavni članak: Mjesečeva iluzija

U Knjizi o optici (1011–1022) Alhazen (Ibnul-Hejsem) tvrdio je da se vid dešava u mozgu i da lično iskustvo ima efekt na ono što ljudi vide i kako to vide, te da su vid i percepcija subjektivni. Suprotstavljajući se Ptolemejevoj teoriji refrakcije u vezi s tim zašto Sunce i Mjesec ljudima djeluju veći kad su na horizontu nego kad su uviše na nebu, redefinirao je ovaj problem u smislu percipiranog umjesto stvarnog povećanja. Rekao je da prosuđivanje udaljenosti nekog predmeta zavisi od postojanja neprekinutog niza predmeta koji se nalaze između posmatranog predmeta i posmatrača. U slučaju Mjeseca, međutim, takvih predmeta nema. Stoga, budući da veličina predmeta zavisi od njegove posmatrane udaljenosti, što je u ovom slučaju netačno, Mjesec izgleda veći na horizontu. Zahvaljujući djelima Rogera Bacona, Johna Pechama i Witela zasnovanim na Alhazenovom objašnjenju, Mjesečeva iluzija postepeno je postala prihvaćena kao psihološki fenomen, a Ptolemejeva teorija odbačena je u 17. stoljeću.[4] Više od 100 godina naučnici koji proučavaju vid provode istraživanja o Mjesečevoj iluziji, a svi su oni bili psiholozi koji su se specijalizirali za ljudsku percepciju. Nakon pregledavanja mnogih različitih objašnjenja, u svojoj knjizi Misterija Mjesečeve iluzije (2002) Ross i Plug zaključili su da se "nijedna teorija nije pokazala pobjedničkom".[5]

Obojenost neba[uredi | uredi izvor]

Glavni članak: Nebo
Kad se nebo gleda s visine, kao što je ovaj pogled iz aviona, boja neba varira od blijede do tamne na visinama koje se približavaju zenitu.

Svjetlost s neba rezultat je rasijanja Sunčeve svjetlosti, što dalje rezultira plavom bojom koju percipira ljudsko oko. Kad je dan sunčan, Rayleighovo rasijanje daje nebu plavi gradijent – tamna nijansa u blizini zenita, svijetla blizu horizonta. Svjetlost koja dolazi odozgo nailazi na 1/38 zračne mase na koju nailazi svjetlost koja ide putanjom duž horizonta. Dakle, manje čestica rasijava snop Sunčeve svjetlosti u zenitu i stoga je svjetlost u tamnijoj nijansi plave.[6] Plavetnilo je na horizontu zbog toga što je plava svjetlost koja dolazi iz velikih udaljenosti također preferencijalno rasijana. Ovo rezultira crvenim pomakom udaljenih izvora svjetlosti koji kompenzira plava nijansa rasijane svjetlosti u vidnom polju. Drugim riječima, crvena svjetlost također se rasijava; ako to čini u tački jako udaljenoj od posmatrača, ima mnogo veću šansu da dođe do posmatrača nego plava svjetlost. Na udaljenostima koje se približavaju beskonačnosti rasijana svjetlost stoga je bijela. Daleki oblaci ili snježni vrhovi planina djelovat će žuti iz tog razloga;[7] taj efekt nije očit u vedrim danima, ali je veoma naglašen kad oblaci pokrivaju vidno polje, reducirajući plavu nijansu rasijane Sunčeve svjetlosti.

Rasijanje usljed čestica veličine molekula (kao u zraku) veće je prema naprijed i nazad nego bočno.[8] Pojedinačne kapi vode izložene bijeloj svjetlosti proizvest će skup obojenih prstenova. Ako je oblak dovoljno gust, rasijanje od više kapi vode "isprat će" skup obojenih prstenova i proizvesti ispranu bijelu boju.[9] Prašina iz Sahare kreće se oko južne periferije suptropskog pojasa visokog pritiska i dolazi na jugoistok SAD-a tokom ljeta, što mijenja boju neba iz plave u bijelu i dovodi do povećanja broja crvenih zalazaka Sunca. Njeno prisustvo negativno utječe na kvalitet zraka tokom ljeta s obzirom na to da povećava broj čestica u zraku.[10]

Purpurno nebo iznad opservatorije La Silla.[11]

Nebo može poprimiti razne boje, kao što su crvena, narančasta, ružičasta i žuta (naročito blizu zalaska ili izlaska Sunca) i crna noću. Efekti rasijanja također djelomično polariziraju svjetlost s neba, što je najistaknutije pod uglom od 90° od Sunca.

Međunarodna komisija za osvjetljavanje (CIE) preporučila je modele distribucije luminancije neba za izradu shema prirodnog osvjetljenja. Nedavni razvoji relate to "modele cijelog neba" za modeliranje luminancije neba pod vremenskim uvjetima u rasponu od vedrog do veoma naoblačenog neba.[12]

Obojenost oblaka[uredi | uredi izvor]

Također pogledajte: Oblak
Refleksija nijansi ružičaste boje na sivim stratokumulusima prilikom zalaska Sunca

Boja oblaka, viđena sa Zemlje, govori mnogo o tome šta se dešava unutar datog oblaka. Gusti troposferski oblaci imaju visoku reflektivnost (70% do 95%) širom vidljivog spektra. Sitne čestice vode gusto su zbijene i Sunčeva svjetlost ne može prodrijeti duboko u oblak prije no što bude izreflektirana, što oblaku daje njegovu karakterističnu bijelu boju, naročito kad se gleda odozgo.[13] Kapljice u oblacima imaju tendenciju da efikasno rasiju svjetlost, tako da se jačina solarnog zračenja smanjuje sa dubinom. Kao rezultat, baza oblaka može varirati od veoma svijetle do veoma tamne sive, u zavisnosti od gustoće oblaka i toga koliko se svjetlosti reflektira ili prenosi nazad do posmatrača. Rijetki oblaci mogu izgledati bijeli ili se može činiti da su primili boju njihova okruženja ili pozadine. Visokotroposferski i netroposferski oblaci izgledaju većinom bijeli ako se u potpunosti sastoje od kristala leda i/ili superhladnih kapljica vode.

Kako troposferski oblak sazrijeva, guste kapljice vode mogu se spojiti i proizvesti veće kapi, koje se dalje ponovo mogu spojiti u kapi dovoljno velike da padnu kao kiša. Ovim procesom of akumulacije prostor između kapkjica postaje sve veći i veći, dozvoljavajući svjetlosti da prodre dublje u oblak. Ako je oblak dovoljno velik, a kapljice u njemu na dovoljnom međusobnom rastojanju, može se desiti da se postotak svjetlosti koji ulazi u oblak ne reflektira nazad prije before nego što bude apsorbiran. Jednostavan primjer ovoga jest to što se može vidjeti dalje pri jakoj kiši nego pri gustoj magli. Upravo ovaj proces refleksije/apsorpcije uzrokuje da se boja oblaka mijenja u rasponu od bijele do crne.[14]

Ostale boje prirodno se pojavljuju u oblacima. Plavkasto-siva rezultat je rasijanja svjetlosti unutar oblaka. U vidljivom spektru plava i zelena nalaze se na kraćem kraju vidljivih talasnih dužina svjetlosti, dok su crvena i žuta na dužem kraju.[15] Kapljice vode lakše rasijavaju kratke zrake, a kod dugih je veća vjerovatnoća da će biti apsorbirane. Plavkasta boja dokaz je da takvo rasijanje proizvode kapi veličine kišnih u oblacima. Primjesa zelenkaste boje u oblaku pojavljuje se kad Sunčevu svjetlost rasije led. Kumulonimbus koji odašilje zelenu boju znak je da je to jaka grmljavinska oluja,[16] koja može donijeti jaku kišu, grad, jake vjetrove i tornada. Žućkasti oblaci mogu se pojaviti od kraja proljeća do rane jeseni tokom sezone šumskih požara. Žuta boja nastaje usljed prisustva zagađivača u dimu. Žućkasti oblaci uzrokovani prisustvom dušikovog dioksida ponekad se vide u urbanim područjima s visokim nivoima zagađenja zraka.[17]

Crveni, narančasti i ružičasti oblaci javljaju se gotovo potpuno prilikom izlaska i zalaska Sunca i rezultat su rasijanja Sunčeve svjetlosti u atmosferi. Kad je ugao između Sunca i horizonta manji od 10%, kao što je odmah nakon izlaska ili odmah prije zalaska Sunca, Sunčeva svjetlost postaje precrvena usljed refrakcije bilo kojih boja osim onih s crvenkastom nijansom.[16] Oblaci ne poprimaju tu boju; oni reflektiraju duge i nerasijane zrake Sunčeve svjetlosti, koji su dominantni u ovim satima. Ovaj efekt vrlo je sličan tome kao kad bi neko trebao prouzrokovati crvenu tačku na bijelom listu (npr., laserskim pokazivačem). U kombinaciji s velikim, sazrelim olujnim oblacima ovo može proizvesti da oblaci izgledaju crveni kao krv. Oblaci izgledaju tamniji u području blizu infracrvenog zato što voda apsorbira solarno zračenje na tim talasnim dužinama.

Halo[uredi | uredi izvor]

Glavni članak: Halo (optički fenomen)
Čovjek ispred kompleksnog haloa

Halo (grč. ἅλως) jest optički fenomen koji nastaje usljed međudjelovanja svjetlosti od Sunca ili Mjeseca s kristalima leda u atmosferi, što rezultira obojenim ili bijelim lukovima, prstenovima ili tačkama na nebu.[18] Mnogi haloi pozicionirani su blizu Sunca ili Mjeseca, ali ostali se nalaze drugdje, čak i na suprotnom dijelu neba.

Postoji mnogo tipova ledenih haloa. Proizvode ih kristali leda u cirusima ili cirostratusima visoko u gornjoj troposferi, na visini od 5 do 10 km, ili, pri vrlo hladnom vremenu, kristali leda zvani ledene iglice koji lebde u zraku na malim visinama.[19][20][21] Naročit oblik i orijentacija kristala odgovorni su za tipove haloa. Kristali leda reflektiraju i prelamaju svjetlost, koja se može rastaviti na boje zbog disperzije. Oni se ponašaju kao prizme i ogledala, prelamajući i reflektirajući Sunčevu svjetlost između njihovih strana, šaljući zrake svjetlosti u posebnim smjerovima.[18] Kod kružnih haloa preferirana ugaona udaljenost iznosi 22 i 46 stepeni od kristala leda koji ih proizvode.[22] Atmosferski fenomeni, kao što je halo, korišteni su u pučkoj meteorologiji kao empirijsko sredstvo za prognoziranje vremena: njihovo prisustvo, navodno, ukazuje na približavanje toplog fronta i kiše povezane s njime.[23]

Lažno Sunce[uredi | uredi izvor]

Glavni članak: Lažno Sunce
Vrlo svijetla lažna Sunca u Fargu (Sjeverna Dakota). Uočite lukove haloa koji prolaze kroz svako lažno Sunce.

Lažna Sunca ili pasunca čest su tip haloa, a karakterizira ih pojava dviju blago obojenih svijetlih tačaka lijevo i desno od Sunca na udaljenosti od oko 22° i istoj visini iznad horizonta. Obično ih uzrokuju šestougaoni kristali leda.[19][20] Ovi kristali imaju tendenciju da se horizontalno poravnaju dok tonu kroz zrak, što uzrokuje da prelamaju Sunčevu svjetlost nalijevo i nadesno, usljed čega nastaju dva lažna Sunca.[20][19]

Kako se Sunce više uzdiže, zrake koje prolaze kroz kristale idu sve više ukoso od horizontalne ravni. Njihov se ugao devijacije povećava i lažna Sunca udaljavaju se od Sunca.[24] Međutim, ona uvijek ostaju na istoj visini kao i Sunce i obojena su crveno na strani najbližoj Suncu. Dalje prema vani boje se mijenjaju u plavu ili ljubičastu.[19] Ipak, one se značajno preklapaju i stoga su prigušene, rijetko čiste ili zasićene. Boje lažnog Sunca na kraju se stapaju u bijelu boju parhelične kružnice (ako je potonja vidljiva).

Teoretski je moguće predvidjeti oblike lažnih Sunca kakvi bi bili na drugim planetama i njihovim satelitima. Mars bi mogao imati lažna Sunca koja su formirali i vodeni led i CO2-led. Na divovskim plinovitim planetama – Jupiteru, Saturnu, Uranu i Neptunu – ostali kristali formiraju oblake amonijaka, metana i drugih supstanci koje mogu proizvesti haloe sa četiri ili više lažnih Sunca.[25]

Glorija[uredi | uredi izvor]

Sunčeva glorija u pari iz termalnog izvora

Čest optički fenomen koji uključuje kapljice vode jest glorija.[18] Ovaj fenomen veoma je nalik na halo (aureolu) oko glava svetaca na ikonama zato što se pojavljuje oko glave posmatrača, a uzrokuje ga povratno rasijanje svjetlosti (kombinacija difrakcije, refleksije i refrakcije) prema njenom izvoru od strane oblaka ili kapljica vode iste veličine. Gloriju karakterizira više obojenih prstenova, s tim da je crvena u krajnjem vanjskom, a plava/ljubičasta u krajnjem unutrašnjem prstenu.[26]

Ugaona udaljenost mnogo je manja nego kod duge i kreće se u rasponu od 5° do 20°, u zavisnosti od veličine kapljica. Glorija se može vidjeti samo kad se posmatrač nalazi direktno između Sunca i oblaka kapljica koje prelamaju svjetlost. Stoga se obično vidi za vrijeme leta, kad okružuje sjenu aviona na oblacima (ovo se često naziva pilotskom glorijom). Glorije se također mogu vidjeti s planina i visokih zgrada,[27] kad su oblaci ili magla ispod nivoa na kojem je posmatrač ili u danima s niskom maglom. Glorija je povezana s antihelionom, još jednim optičkim fenomenom.

Duga[uredi | uredi izvor]

Glavni članak: Duga

Miraž[uredi | uredi izvor]

Glavni članci: Zeleni blijesak i Miraž

Fatamorgana[uredi | uredi izvor]

Glavni članak: Fatamorgana

Efekt Nove Zemlje[uredi | uredi izvor]

Glavni članak: Efekt Nove Zemlje

Krepuskularne zrake[uredi | uredi izvor]

Glavni članak: Krepuskularne zrake

Antikrepuskularne zrake[uredi | uredi izvor]

Glavni članak: Antikrepuskularne zrake

Atmosferska refrakcija[uredi | uredi izvor]

Glavni članak: Atmosferska refrakcija

Atmosferska difrakcija[uredi | uredi izvor]

Glavni članak: Atmosferska difrakcija

Reference[uredi | uredi izvor]

  1. ^ C. D. Ahrens (1994). Meteorology Today: an introduction to weather, climate, and the environment (5. iz.). West Publishing Company. str. 88–89. ISBN 0-314-02779-3. 
  2. ^ A. Young. "An Introduction to Mirages". 
  3. ^ H. D. Young (1992). University Physics 8e. Addison-Wesley. ISBN 0-201-52981-5.  34. poglavlje
  4. ^ Maurice Hershenson (1989). The Moon illusion. Psychology Press. ISBN 978-0-8058-0121-7. 
  5. ^ Helen Ross, Cornelis Plug, The Mystery of The Moon Illusion, Štamparija Univerziteta Oxford, SAD, 2002, str. 180.
  6. ^ "Why is the sky bluer on top than at the horizon". Arhivirano s originala, 22 April 2011. Pristupljeno 7 August 2016.  Nepoznat parametar |url-status= ignorisan (pomoć)
  7. ^ David K. Lynch, William Charles Livingston (2001). Color and light in nature. Štamparija Univerziteta Cambridge. str. 31. ISBN 978-0-521-77504-5. Pristupljeno 2. 4. 2011. 
  8. ^ Y. Timofeev and A. V. Vasilev (1. 5. 2008). Theoretical Fundamentals of Atmospheric Optics. Cambridge International Science Publishing. str. 174. ISBN 978-1-904602-25-5. Pristupljeno 23. 2. 2012. 
  9. ^ Craig F. Bohren and Eugene Edmund Clothiaux (2006). Fundamentals of atmospheric radiation: an introduction with 400 problems. Wiley-VCH. str. 427. ISBN 978-3-527-40503-9. 
  10. ^ "African Dust Called a Major Factor Affecting Southeast U.S. Air Quality". Science Daily. Pristupljeno 10. 6. 2007. 
  11. ^ "Three Pillars of Astronomy". Pristupljeno 11. 1. 2016. 
  12. ^ "eSim 2008 (May 20th – 22nd, 2008), General Sky Standard Defining Luminance Distributions". 
  13. ^ "Increasing Cloud Reflectivity". Kraljevsko geografsko društvo, 2010. Arhivirano s originala, 2 April 2015. Pristupljeno 20 August 2016.  Nepoznat parametar |url-status= ignorisan (pomoć)
  14. ^ Bette Hileman (1995). "Clouds absorb more solar radiation than previously thought". Chem. Eng. News 73 (7): 33. doi:10.1021/cen-v073n007.p033. 
  15. ^ Atmospheric Science Data Center (28. 9. 2007). "What Wavelength Goes With a Color?". NASA. Arhivirano s originala, 20 Juli 2011. Pristupljeno 28. 3. 2011.  Nepoznat parametar |url-status= ignorisan (pomoć); Provjerite vrijednost datuma kod: |archivedate= (pomoć)
  16. ^ a b Frank W. Gallagher III (October 2000). "Distant Green Thunderstorms – Frazer's Theory Revisited". Journal of Applied Meteorology (Američko meteorološko društvo) 39 (10): 1754–1757. Bibcode:2000JApMe..39.1754G. doi:10.1175/1520-0450-39.10.1754. 
  17. ^ Garrett Nagle (1998). "10. Cities and Air Pollution". Hazards. Nelson Thornes. str. 101–. ISBN 978-0-17-490022-1. 
  18. ^ a b c William Thomas Brande and Joseph Cauvin (1842). A dictionary of science, literature, & art: comprising the history, description, and all the terms in general use. Longman, Brown, Green, and Longmans. str. 540. Pristupljeno 2. 4. 2011. 
  19. ^ a b c d Lee M. Grenci and Jon M. Nese (2001). A world of weather: fundamentals of meteorology: a text/ laboratory manual. Kendall Hunt. str. 330. ISBN 978-0-7872-7716-1. Pristupljeno 12. 4. 2011. 
  20. ^ a b c Devaraj Singh (2010). Fundamentals Of Optics. PHI Learning Private Limited. str. 43. ISBN 978-81-203-4189-0. Pristupljeno 12. 4. 2011. 
  21. ^ David K. Lynch (2002). Cirrus. Štamparija Univerziteta Oxford (SAD). ISBN 978-0-19-513072-0. Pristupljeno 12. 4. 2011. 
  22. ^ W. and R. Chambers (1874). Chambers' encyclopaedia: a dictionary of universal knowledge for the people V. W. and R. Chambers. str. 206–207. Pristupljeno 3. 4. 2011. 
  23. ^ Dennis Eskow (mart 1983). "Make Your Own Weather Forecasts". Popular Mechanics 159 (3): 148. Pristupljeno 2. 4. 2011. 
  24. ^ Les Cowley (2. 8. 2009). "Effect of solar altitude". Atmospheric Optics. Pristupljeno 2. 4. 2011. 
  25. ^ Les Cowley (2. 8. 2009). "Other Worlds". Atmospheric Optics. Pristupljeno 1. 4. 2011. 
  26. ^ Nacionalna meteorološka služba SAD-a (25. 6. 2009). "Glossary: G". Nacionalna okeanska i atmosferska uprava. Pristupljeno 12. 4. 2011. 
  27. ^ Elizabeth A. Wood (1975). Science From Your Airplane Window. Courier Dover Publications. str. 70. ISBN 978-0-486-23205-8. 

Vanjski linkovi[uredi | uredi izvor]