Struktura

Atmosférická optika

Atmosféra Země je nepochybně naprosto nezbytná pro vývoj a existenci života.

Díky zemské atmosféře můžeme také pozorovat řadu optických úkazů a jevů. Některé jsou zcela běžné a často si je ani neuvědomujeme, jiné se naopak vyskytují velmi vzácně a lidé jimi byli a jsou natolik fascinováni, že se staly i podkladem legend a románů. Optické úkazy v atmosféře jsou často velmi krásné a přinášejí nám i působivé estetické zážitky. Některými z těchto zajímavých úkazů a stručným vysvětlením jejich vzniku se budeme zabývat v této lekci.

Rozptyl světla, modrá barva oblohy, červánky

Dopadá-li světlo na drobounké částečky, rozptyluje se do různých směrů. V zemské atmosféře dochází k rozptylu slunečního světla na skupinách molekul plynných složek vzduchu, na vodních kapičkách, ledových krystalcích a drobounkých prachových částicích v zemském ovzduší. To, že denní světlo proniká do všech koutů, je způsobeno právě rozptylem světla. Kdyby k němu nedocházelo, jevila by se nám nebeská klenba i během dne černá s ostře zářícím Sluncem a hvězdami. Takovou situaci mohli pozorovat např. kosmonauti na Měsíci.

Příčinou modré barvy bezmračné oblohy je rozptyl světla na shlucích molekul, které vznikají díky neuspořádanému chaotickému pohybu molekul. V tomto případě závisí intenzita rozptýleného světla na vlnové délce. Sluneční světlo je směs barevných složek od 390 nm (fialové světlo) do 790 nm (červené světlo). Nejvíce se rozptyluje fialová a modrá, protože intenzita rozptýleného světla je nepřímo úměrná čtvrté mocnině vlnové délky.

Fialové světlo má nejkratší vlnovou délku a rozptyluje se tedy nejvíce, fialového světla je však ve spektru méně než modrého a také lidské oko je na toto světlo méně citlivé, proto vnímáme oblohu modrou, a nikoli fialovou.

obrazek

Obr. 1: Modrá obloha

 

Mraky jsou složeny z kapiček vody nebo ledových krystalků. Ty jsou v porovnání se shluky molekul vzduchu poměrně velké a světla všech vlnových délek se na nich rozptylují téměř stejně. Oblaka a mraky mají proto barvu bílou nebo šedou. Mimo rozptyl se na bílé nebo šedé barvě mraků podílí pohlcování světla vrstvou oblačnosti a odraz světla od povrchu mraků.

Obr. 2: Bílé mraky

 

Při východu a západu je Slunce blízko obzoru a sluneční paprsky procházejí silnou vrstvou atmosféry mnohem delší dráhu, než když je Slunce vysoko nad obzorem. Krátkovlnná část spektra se rozptýlí do různých směrů a z původního bílého světla dospěje k pozorovateli hlavně jeho oranžová a červená složka. Tento jev se nazývá ranní a večerní červánky.

Obr. 3: Vznik červánků

 

obrazek

Obr. 4: Západ Slunce

 

Duha

Jedním z velmi nápadných, ale zároveň vcelku běžných optických úkazů v atmosféře je duha. Ze zkušenosti víme, že duha vzniká, jestliže prší a současně svítí Slunce. Sluneční paprsky osvětlují dešťové kapky a při svém průchodu vodními kapkami se světlo rozkládá a na opačné straně, než svítí Slunce, můžeme pozorovat duhu. Již ve 13. století změřil anglický přírodovědec R. Bacon tzv. duhový úhel mezi směrem dopadajících slunečních paprsků a paprsků přicházejících od duhy. Jeho hodnota je u hlavní duhy přibližně 42°. Stojíme-li na rovné zemi, můžeme vidět duhu pouze tehdy, je-li Slunce níže než 42° nad obzorem. Čím je Slunce nad horizontem níže, tím výše vystupuje duhový oblouk. Úplnou kružnici duhy bychom mohli za příznivých podmínek vidět např. z letadla.

Obr. 5: Duhový úhel

 

Duhu ovšem můžeme pozorovat nejen díky dešťovým kapkám, ale také ve vodní tříšti vodopádů nebo vodotrysků.

Obr. 6: Duha ve vodopádu

 

Dopadá-li sluneční paprsek na vodní kapku v atmosféře, dochází nejčastěji k jeho následujícímu chodu. Světlo vstupuje do vodní kapky, přitom se láme ke kolmici, na zadní stěně kapky se úplně odráží a poté lomený z kapky vychází. Po dvojím lomu se díky disperzi světlo rozkládá na barevné spektrum, podobně jako po průchodu optickým hranolem.

obrazek

Obr. 7: Světlo v kapce

 

Takto vzniká hlavní (primární) duha, jejíchž pověstných šest barev spojitě přechází od vnějšího okraje duhy směrem k vnitřnímu v pořadí červená, oranžová, žlutá, zelená, modrá a fialová.

obrazek

Obr. 8: Barvy duhy

 

Světlo duhy je polarizované, o čemž se lze přesvědčit pozorováním duhy přes polarizační brýle nebo filtr a jejich otáčením. Video můžete zhlédnout na:

http://ukazy.astro.cz/gal/20060822TomasTrzicky_DuhaPolarMvi7497.avi

Jestliže intenzivně prší, můžeme spatřit vedlejší (sekundární) duhu, která má obrácený sled barev než duha primární. Tato duha vzniká, pokud se sluneční paprsek ve vodní kapce dvakrát totálně odráží. Její duhový úhel je přibližně 51° a duha bývá méně výrazná, protože paprsky urazily ve vodní kapce delší dráhu. Poměrně vzácným, ale krásným úkazem je noční duha, která vzniká, když dostatečně svítí Měsíc při nočním dešti.

obrazek

Obr. 9: Hlavní a vedlejší duha

 

Astronomická refrakce, jevy způsobené astronomickou refrakcí

Zemská atmosféra není homogenní, s rostoucí výškou se mění tlak a hustota vzduchu.

Zmenšuje-li se hustota vzduchu, klesá i jeho index lomu. Světelný paprsek ze zdroje vně atmosféry prochází stále hustším prostředím, jeho rychlost se zmenšuje a index lomu vzduchu roste. Paprsek se při průchodu atmosférou spojitě lomí ke kolmici. Naše oko a mozek má dojem, že zdroj světla (např. hvězda) se nachází v přímém směru posledního dopadajícího paprsku. Pozorovatel tedy vidí zdroj světla výše nad obzorem, než ve skutečnosti je. Astronomická refrakce je největší u obzoru, s rostoucí výškou nad obzorem klesá. Poloha hvězd je tedy nejvíce zkreslena u horizontu.

Astronomická refrakce: Bod A – skutečná poloha hvězdy, bod A´ – zde vidí hvězdu pozorovatel

 

Jev je na obrázku pro názornost velmi zvýrazněn.

Důsledkem astronomické refrakce je řada známých jevů jako prodloužení trvání dne, zploštění slunečního a měsíčního kotouče v blízkosti obzoru a zelený paprsek.

Prodloužení trvání dne

Při východu Slunce v důsledku lomu paprsků ve stále hustších vrstvách atmosféry vidíme Slunce nad obzorem, i když ve skutečnosti je ještě pod ním. Analogický jev nastává i při západu Slunce, kdy Slunce vidíme nad horizontem, přestože je už pod ním. V našich zeměpisných šířkách dochází k prodloužení dne o 8 až 12 minut. V polárních oblastech se den prodlužuje mnohem výrazněji.

obrazek

Prodloužení dne: Bod P zobrazuje pozorovatele, který vidí Slunce nad rovinou obzoru

Změna tvaru a velikosti slunečního a měsíčního kotouče u obzoru

Jak již víme, astronomická refrakce je největší u obzoru a s rostoucí výškou nad obzorem klesá. Horní okraj Slunce je tedy refrakcí vyvýšen méně než spodní, a sluneční kotouč se tak ve vertikálním směru zkracuje, Slunce získává oválný tvar. Zploštění je s rostoucí výškou Slunce nebo Měsíce nad obzorem méně výrazné. Větší velikost Slunce a Měsíce u obzoru je také dána astronomickou refrakcí, částečně se však jedná o optický klam.

obrazek

Obr. 10: Zploštění slunečního disku při západu Slunce

Zelený paprsek

Jedním z nejvzácnějších a nejpozoruhodnějších optických jevů je zelený paprsek. Lze jej pozorovat, zapadá-li Slunce za rovnou linii obzoru (nad hladinou moře) a vzduch je velmi čistý. V posledním okamžiku, kdy se sluneční disk noří za obzor, zazáří jeho horní okraj náhle na několik málo sekund jasně zeleným světlem. Tento jev se nazývá zelený paprsek nebo také zelený záblesk. Astronomická refrakce je největší pro fialovou, modrou a zelenou část spektra a nejmenší pro červenou. Modrý obraz slunečního disku je tedy výše než červený, a při západu jsou tedy jako první celé pod obzorem sluneční kotouče ve světle větších vlnových délek (červené, oranžové a žluté). Logicky nás tedy napadá, proč nevidíme modrý nebo fialový záblesk, což by odpovídalo nejkratším vlnovým délkám. Modré a fialové světlo v přímých slunečních paprscích je však, zvláště při poloze Slunce u obzoru, velmi účinně zeslabováno molekulárním rozptylem v atmosféře. Modrý okraj je tedy slabý a vzhledem k němu vyniká s ním sousedící okraj zelený, a proto je vidět světlo zelené. Modrý záblesk při západu Slunce je díky rozptylu a absorpci modrého světla v atmosféře jev velmi výjimečný.

Možnost vidět zelený paprsek závisí na složení atmosféry v okamžiku západu nebo východu Slunce. Zelený paprsek se stane viditelným, je-li atmosféra průzračná a obsahuje-li málo vodních par. Je-li Slunce při západu červené, je možné předem tvrdit, že se zelený paprsek neobjeví. Doba trvání zeleného paprsku je velmi krátká, závisí na zeměpisné šířce místa pozorování a na ročním období. Nejkratší je v době jarní a podzimní rovnodennosti, nejdelší pak v době letního a zimního slunovratu.

obrazek

Obr. 11: Zelený paprsek

Svrchní a spodní zrcadlení

Tento mýty opředený optický jev je mnohem více znám pod populárním názvem fata morgána. Jedná se o případy, kdy se v zorném poli pozorovatele objeví objekty, které se nacházejí za obzorem a často jsou velmi vzdálené. Úkaz je zřejmě podkladem mnoha legend a hrůzostrašných příběhů – o různých mořských obludách, Bludném Holanďanovi a podobně. V nerovnoměrně zahřátém vzduchu se mění index lomu, a světelný paprsek se zakřivuje.

Spodní zrcadlení vzniká, je-li přízemní vrstva vzduchu silně zahřátá a index lomu směrem vzhůru roste. K této situaci dochází často na poušti nebo nad rozpálenou silnicí za horkého a bezvětrného letního dne. Na rozhraní různě zahřátých vrstev může docházet k totálnímu odrazu a pozorovatel pak za určitých podmínek pozoruje převrácený obraz vzdálených předmětů na zemském povrchu.

U nás se s tímto jevem můžeme setkat nejčastěji v létě při jízdě autem. Při pohledu na silnici z dálky se nám jeví jako mokrá, přitom ve skutečnosti je naprosto suchá. Důvodem je právě úplný odraz paprsků z oblohy na rozhraní nestejnoměrně zahřátých vrstev vzduchu a takto zobrazená obloha pak vytváří iluzi vodní plochy.

obrazek

Obr. 12: Spodní zrcadlení

obrazek

Obr. 13: Spodní zrcadlení, efekt mokré silnice

 

Svrchní zrcadlení lze pozorovat, je-li naopak spodní vrstva vzduchu chladnější a horní vrstvy teplejší. Vhodné podmínky pro výskyt horního zrcadlení jsou v polárních oblastech, nad ledovými pláněmi nebo studeným mořem. Paprsek se při průchodu atmosférou láme od kolmice. V případě, že hustota vzduchu rychle klesá, dochází k úplnému odrazu a paprsek se odráží zpět k zemi. Pozorovatel pak vidí předmět ve směru odraženého paprsku. Je-li takových vrstev více, může dojít i k několikanásobnému totálnímu odrazu. Tak mohou vznikat vícenásobné obrazy vzdálených předmětů.

Obr. 14: Svrchní zrcadlení

 

Obr. 15: Svrchní zrcadlení – fata morgána

Zdroje

Obrázky

Zamysli se

  1. Trvá za rovnodennosti den i noc přesně 12 hodin?
  2. Lze jev zdánlivého zvětšení u obzoru pozorovat i v jiných případech než u slunečního a měsíčního kotouče?
  3. Jak lze vysvětlit mihotání hvězd, které jsou nízko nad obzorem?
  4. Proč nevidíme oblohu fialovou, když fialové světlo má kratší vlnovou délku než modré, a proto se více rozptyluje?
  5. Proč jsou některé mraky bílé a jiné šedé až černé?

Zkontrolujte si odpovědi.

Obrázek

Content zapad slunce litovel

Obr. 16: Západ Slunce v Litovli

Obrázek

Content duha ve vodotrysku

Obr. 17: Duha ve vodotrysku

Logolink