Przyroda, która stworzyła najpiękniejsze góry świata nie poskąpiła nam też innych doznań, które nie istotne w zwykłej szarej codzienności. Cóż znaczy tęcza, albo zachód słońca nad wieżowcami, kto fascynuje się burzą stojąc w ulicznym korku, lub poranną rosą na osiedlowym trawniku? Na przykład w górach można spotęgować swoje doznania upajając się nie tylko pięknymi widokami, ale także niesamowitymi zjawiskami meteo na ich tle. W ścisłej łączności z chmurami obserwowane są w atmosferze różne zjawiska optyczne (fotometeory). Zjawiska te nie mają znaczenia praktycznego, jednak dostarczają pewnych wiadomości o charakterze chmur, w których są obserwowane. Są one wywołane odbiciem, załamaniem, ugięciem i interferencją światła słonecznego lub księżycowego w chmurowych kropelkach wody lub kryształkach lodu. Niektóre z nich powtarzają się bardzo często, inne są wielką rzadkością i trzeba mieć dużo szczęścia, aby je zobaczyć.
1. Zjawisko Brockenu
Zjawisko Brockenu jest zjawiskiem świetlnym rzadko występującym w atmosferze ziemskiej. Powstaje w górach, przy niskim położeniu Słońca nad horyzontem, gdy powiększony do nadnaturalnej wielkości cień obserwatora pojawia się na rozpostartych wprost przed nim, albo niżej od niego chmurach warstwowych, zalegających w dolinach (tzw. morze chmur, morze mgieł). Inaczej mówiąc, obiekt znajdujący się pomiędzy Słońcem, a spełniającymi rolę potężnego ekranu chmurami, rzuca cień wnikający głęboko w chmury. Cień często otoczony jest barwną aureolą. Jeżeli w "widowisku" bierze udział kilka osób, to każda z nich widzi jedynie swoją aureolę. Nazwa zjawiska pochodzi od wzniesienia Brocken (1142 m) w górach Harz (Niemcy), gdzie zaobserwowano je po raz pierwszy.
2. Słup światła
W chmurach piętra górnego zbudowanych z kryształków lodowych, zwłaszcza w chmurach warstwowo-pierzastych, powstają zjawiska, zwane halo. Tak nazywają się przede wszystkim jasne pierścienie (kręgi) o środkach, położonych centralnie w Słońcu lub Księżycu. Oprócz pierścieni, które są podstawowymi postaciami zjawisk halo występują również pionowe słupy świetlne, przechodzące przez tarczę Słońca lub Księżyca i obserwowane powyżej i poniżej tych ciał niebieskich, oraz bezbarwny poziomy krąg przysłoneczny, położony na tej samej wysokości kątowej co Słońce. Słup światła występuje przy chmurach typu Cirrus i Altocumulus. W bezwietrzny mroźmy poranek można czasami zobaczyć, jak nad Słońcem widać w powietrzu igły połyskujące w jego promieniach oraz słupy świetlne. Słupy świetlne bywają także czasami widoczne podczas bezwietrznej, mroźnej pogody nad latarniami. Pojawienie się tych słupów związane jest z odbiciem promieni od ścian unoszących się w powietrzu kryształków lodu. Aby można było zaobserwować to zjawisko musi w powietrzu znajdować się obłok kryształków lodu , których ścianki znajdują się w poziomie. Wtedy promienie odbijają się od nich, jednak nie widać słupów. Aby były one widoczne, płytki muszą być lekko odchylone od linii horyzontu. Wtedy następuje załamanie promieni słonecznych. Oko rzutuje je na sklepienie niebieskie i obserwatorowi wydaje się, że pod lub nad słońcem powstają słupy świetlne. Słupy poziome tworzą się poprzez odbicie promieni światła od kryształków, które spadając obracają się wokół swojej osi pionowej. Słupy tworzące się nad latarniami są wywołane odbiciem światła od płatków śniegu, kropel mgły lub cząstkach pyłu unoszącego się w powietrzu.
3. Iryzacja
Iryzacja, to tęczowe barwy powstające czasem na powierzchni przezroczystych ciał w wyniku interferencji światła (oświetlenia światłem białym, przez co uzyskuje się wygaszenie pewnych, oraz wzmocnienie innych barw. Obserwuje się je, jako mieniące się, tęczowe plamy barwne na wodzie. Układy barw przeważnie zielonych i różowych, często o odcieniach pastelowych, są obserwowane na chmurach. Barwy te bywają niekiedy pomieszane, niekiedy zaś w postaci smug prawie równoległych do brzegów chmur. Barwy iryzacji są często błyszczące i przypominają kolor masy perłowej. Zjawisko iryzacji chmur w istocie jest tego samego pochodzenia co wieńce i występuje przy chmurach kłębiastych Cirrocumulus, Altocumulus i Stratocumulus.
4. Wieniec
Wieniec jest to jedna lub kilka (rzadko więcej niż trzy) serii barw pierścieni o stosunkowo małym promieniu, otaczających bezpośrednio tarczę ciała niebieskiego (lub sztucznego źródła światła). W każdej serii pierścień wewnętrzny jest fioletowy lub niebieski, a pierścień zewnętrzny - czerwony; między nimi mogą występować inne barwy. Najbardziej wewnętrzna seria, mająca promień na ogół nie większy niż 5 stopni i nosząca nazwę aureoli, wykazuje zwykle wyraźny pierścień zewnętrzny o czerwonawej lub kasztanowej barwie. Wieńce wywołane są ugięciem światła w znajdujących się przed tarczą Słońca lub Księżyca cienkich chmurach, zbudowanych z drobnych, jednorodnych kropelek wody, zazwyczaj są to chmury średnie kłębiaste - Cirrocumulus, Altocumulus i Stratocumulus.
5. Gloria
Gloria powstaje na skutek dyfrakcji światła (ugięcia fal) na kroplach wody lub kryształkach lodu. Jest zjawiskiem optycznym polegającym na wystąpieniu barwnych pierścieni wokół cienia obserwatora widocznego na tle chmur lub mgły, przy czym niebieski pierścień ma mniejszą średnicę od czerwonego. Gloria podobna jest do wieńca, jednak powstaje nie dookoła Słońca lub Księżyca, lecz dookoła punktu, położonego po stronie przeciwnej względem tarczy ciała niebieskiego. Zjawisko to występuje na chmurach, położonych na wprost przed obserwatorem, albo niżej od niego, tj. w górach lub przy obserwacjach z samolotu. Na te same chmury pada cień obserwatora i wówczas wydaje się, że gloria otacza cień jego głowy. Gloria powstaje wskutek ugięcia się światła, uprzednio odbitego od kropelek chmur, tak że powraca ono od chmur w tym samym kierunku, w jakim na nie padało.
Uwaga. Jeśli chmura lub mgła są dość blisko obserwatora, jego cień wydaje się bardzo duży; nazywa się to wówczas zjawiskiem Brockenu, niezależnie od tego czy jest otoczony, czy też nie jest otoczony barwną glorią. Najczęściej występuje przy chmurach średnich Altocumulus i Altostratus.
6. Tęcza
Tęcza jest jednym z efektowniejszych zjawisk optycznych w atmosferze. Jest to układ koncentrycznych łuków o barwach od fioletowej do czerwonej, wywołanych przez światło Słońca lub Księżyca, padające na zespół kropel wody w atmosferze (krople deszczu, mżawki lub mgły). W tęczy głównej barwa fioletowa występuje po wewnętrznej stronie, a barwa czerwona po zewnętrznej stronie. W tęczy wtórnej, o znacznie mniejszej jasności od tęczy głównej, czerwona barwa jest od wewnątrz, a fioletowa na zewnątrz. Zjawisko powstaje na skutek rozszczepienia światła białego i odbicia go wewnątrz kropel deszczu. Łuk pierwszy to wynik jednokrotnego, a drugi dwukrotnego odbicia rozszczepionego światła wewnątrz kropli (stąd odwrócona kolejność barw i mniejsze natężenie światła). Tęczę obserwuje się na tle chmur, z których pada deszcz, znajdujących się po przeciwnej stronie nieba niż Słońce (zjawisko obserwowano również przy świetle Księżyca). Warunki, przy których obserwuje się typową tęczę mają przeważnie miejsce w przypadku chmur kłębiastych deszczowych. Natężenie światła, szerokość i barwa tęczy wahają się w szerokim przedziale w zależności od rozmiarów kropel. Tęczę obserwuje się również w bryzgach fal morskich, wodospadów i fontann. Dlaczego widzimy tylko łuk, a nie całą ścianę kolorowych barw? Wynika to z tego, że wszystkie promienie słoneczne “wpadają” do kropli wody równolegle względem siebie i “wpadają” do oka pod określonym kątem w stosunku do kierunku padania promieni słonecznych, 42 lub 52 stopnie.
OPIS RYSUNKU NR 1:
Środek tęczy znajduje się na przedłużeniu prostej łączącej Słońce z okiem obserwatora – na linii dosłonecznej. Kąt między linią poprowadzoną od oka obserwatora do zewnętrznego punktu podstawy tęczy głównej i linii dosłonecznej wynosi 42o. Często obserwuje się drugą tęczę – wtórną, współśrodkową względem pierwszej tęczy – głównej, o promieniu kątowym 52o.
OPIS RYSUNKU NR 2:
Promień padający na powierzchnię kropli w punkcie A ulega załamaniu. W punkcie B zachodzi częściowe załamanie i częściowe odbicie promienia. Po odbiciu w punkcie B promień AB trafia do punktu C, gdzie również zachodzi częściowe odbicie i załamanie światła. Załamany promień wychodzi z kropli, a odbity może przejść dalej do punktu D. Najbardziej intensywnym z promieni wychodzących na zewnątrz jest promień wychodzący w punkcie B. Trudno go jednak zaobserwować, ponieważ ginie on na tle jaskrawego nieba. Natomiast promienie załamane w punkcie C tworzą tęczę główną, w punkcie D – tęczę wtórną, która jest mniej intensywna niż główna.
7. Halo
Halo jest jednym z ciekawszych zjawisk świetlnych (optycznych) na niebie i powstaje na skutek załamania światła w chmurze zawierającej kryształki lodu. Występuje, jako barwny, biały lub w przeważającej części biały, świetlisty pierścień, w którego środku znajduje się tarcza Słońca lub Księżyca. Krąg ten ma zwykle słabo widoczne zabarwienie czerwone od wewnątrz i w rzadkich przypadkach fioletowe na zewnątrz. Część nieba wewnątrz kręgu jest wyraźnie ciemniejsza niż na zewnątrz. Pierścień o średnicy 22 (tzw. małe halo) powstaje przez załamanie na powierzchniach kryształków o kącie łamiącym 60 natomiast o średnicy 46 (rzadziej występujące tzw. duże halo), powstaje podczas załamania światła na krawędziach kryształków wzajemnie do siebie prostopadłych (kryształki lodu są graniastosłupami prostymi o podstawie sześciokątnej). Zjawisko halo występuje przy chmurach typu Cirrus.
OPIS RYSUNKU NR 3:
Kryształki lodu w powietrzu znajdują się w ciągłym ruchu oraz są rozmieszczone chaotycznie i promienie słoneczne nie zawsze będą padały na nie pod odpowiednim kątem (kąt 60 stopni), w taki sposób, że po załamaniu wyjdą pod kątem 22 stopni – kąt odchylenia promienia świetlnego w kryształku -, lub zbliżonym do niego. Promienie te sprawiają wrażenie, że pochodzą z wielu źródeł tworzących wokół Słońca lub innego ciała niebieskiego jaskrawy pierścień. Jeżeli natomiast światło będzie wychodzić pod innym kątem to jego natężenie będzie znacznie mniejsze, przez co także mniej widoczne i nie zaobserwujemy zjawiska halo.
OPIS RYSUNKU NR 4:
Światło przechodzące przez co drugą ścianę zostaje odchylone tak samo jakby przechodziło przez lodowy pryzmat.
Halo nazywamy również inne zjawiska optyczne w przyrodzie.
8. Miraż pustynny
Rozważając zjawisko miraży, musimy rozważyć sposób załamywania się promienia świetlnego. Bowiem promień zawsze skręca w kierunku gęstszego powietrza, bądź środowiska. Gęstsze powietrze, jest to powietrze o wyższej temperaturze, cząsteczki jego poruszają się szybciej oraz jest ono gęstsze. Potoczną nazwą tego zjawiska jest “fata-morgana” i kojarzy się najczęściej z widocznym na pustyni jeziorem otoczonym palmami. Jak zachodzi to zjawisko ?Jak już wspomniałam podstawą jest różnica temperatur przy powierzchni Ziemi. W dzień piasek na pustyni nagrzewa się bardziej niż powietrz i w efekcie po nadejściu wieczoru ogrzewa on najbliższą warstwę powietrza. Powstaje “warstwowy układ temperatury” – przy Ziemi najcieplej, a kilka metrów wyżej jest już ono dużo chłodniejsze. Promień światła przechodzący nad powierzchnią zostaje zagięty w górę, w kierunku chłodniejszego ( gęstszego ) powietrza. Opierając się na rysunku 5, można zinterpretować zachodzenia tego zjawiska.
OPIS RYSUNKU NR 5:
Przedstawione są promienie wychodzące z dwóch różnych punktów drzewa i dochodzące do oczu osoby obserwującej. Linie przerywane wskazują pozorną drogę dolnych promieni. Górne promienie dają bezpośredni obraz przedmiotu, natomiast dolne promienie dają obraz odwrócony oraz pozorny. To załamanie promieni powoduje powstanie obrazu zwierciadlanego, który to może być zniekształcony.
Podobnie powstaje miraż obserwowany na rozgrzanej drodze. Wygląda to jak mokra plama, w której widzimy odbicie. Jest to efekt pozornych odbić dalekiego krajobrazu lub nieba.
9. Miraż dolny i górny
Miraże dolne obserwuje się pod horyzontem. Powstają one na bardzo gorących, rozgrzanych obszarach, takich jak pustynie lub stepy. Temperatura Ziemi w tamtym miejscu jest o wiele wyższa od temperatury najniższej warstwy powietrza.. Miraże dolne mogą być odwrócone lub proste. Przykładem takiego mirażu jest sytuacja, gdy jedziemy samochodem w upalny dzień i na drodze w oddali wydaje się, ze widzimy wodę albo brzeg jeziora. Jednak tak naprawdę jest to obraz nieba odbity od najniższych warstw nad drogą w danej odległości od nas. Miraż górny powstaje powyżej linii horyzontu. Ten rodzaj mirażu można najczęściej zaobserwować nad morzem, ponieważ temperatura powietrza jest znacznie niższa od temperatury morza.
Promienie odbite ulęgają takiemu zakrzywieniu, ze obserwator widzi ich obrazy powyżej linii horyzontu.
10. Zorza polarna
Jest ona jednym z najpiękniejszych zjawisk optycznych zachodzących w przyrodzie. W większości przypadków zorze polarne mają odcień zielony lub niebieskozielony. Występują w postaci wstęg (intensywne) lub plam (mniej intensywne) podobnych do obłoków. Ziemia można nazwać olbrzymim magnesem. Linie pola magnetycznego Ziemi wychodzą z obszaru przylegającego do północnego bieguna, opasują kulę ziemską i wchodzą w obszarze południowego bieguna magnetycznego. Cząstka naładowana wpadając w pole magnetyczne Ziemi porusza się ruchem spiralnym wokół linii pola. Zorza polarna powstaje na zasadzie żarówki jarzeniowej. Tam wzbudzone atomy gazów oddają otrzymaną energię w postaci światła. Podczas zjawiska zorzy polarnej protony i elektrony wpadające w obręb pola magnetycznego Ziemi z wiatru słonecznego (spowodowanego wybuchami na Słońcu) powodują jonizację i wzbudzenie atomów i cząsteczek gazów znajdujących się w atmosferze. Zjawisko to ma najczęściej miejsce w pobliżu biegunów ziemskich, ponieważ tam jest największa koncentracja protonów i elektronów (w obszarach polarnych indukcja pola magnetycznego jest większa niż w pozostałych).Świecenie zielone i czerwone powodują wzbudzone atomy tlenu, podczerwone i fioletowe – zjonizowane cząsteczki azotu. Zorze pojawiają się zazwyczaj dzień lub dwa po wybuchach na Słońcu.
11. Zaćmienie słońca i księżyca
Zaćmienia Słońca, zwłaszcza całkowite, są jednymi z najciekawszych zjawisk jakie można obserwować na ziemskim niebie. Dochodzi do nich, gdy Księżyc poruszający się po orbicie wokół Ziemi znajdzie się pomiędzy Słońcem a Ziemią. W zależności od rozmiarów kątowych oraz wzajemnego położenia tarczy Słońca i Księżyca w momencie zaćmienia wyróżnia się zaćmienia częściowe, całkowite i obrączkowe. Zaćmienia Księżyca również są bardzo efektownymi zjawiskami astronomicznymi. Dochodzi do nich, gdy Ziemia znajdzie się pomiędzy Słońcem a Księżycem przesłaniając promienie słoneczne padające na Księżyc. W zależności od tego jaki fragment tarczy Księżyca znajdzie się w cieniu lub półcieniu Ziemi wyróżnia się zaćmienia częściowe, całkowite i półcieniowe. Zaćmienia Księżyca mogą być częściej obserwowane od zaćmień Słońca, ponieważ widać je z całej nocnej półkuli Ziemi. Najbliższe widoczne w Polsce zaćmienie Słońca nastąpi 31 maja 2003 roku. Będzie ono widoczne na terenie całego kraju we wczesnych godzinach porannych. Tylko w na północnym wschodzie kraju zaćmienie będzie widoczne od początku do końca, natomiast prawie w całej Polsce nie będzie można obserwować początku zaćmienia, gdyż wystąpi jeszcze w czasie, gdy Słońce będzie pod horyzontem. Da to szansę na obserwację wschodzącej częściowo zaćmionej tarczy Słońca gołym okiem, bez użycia jakichkolwiek filtrów. Maksymalna faza wystąpi około godzinę po wschodzie Słońca i wyniesie 0,8. Zaćmienie zakończy się około 2 godziny od momentu rozpoczęcia. Najbliższe obrączkowe zaćmienie Słońca blisko granic Polski wystąpi 3 października 2005 roku w Hiszpanii. Najbliższe całkowite zaćmienie Słońca blisko granic Polski będzie widoczne 29 marca 2006 roku w Turcji. Ostatnie półcieniowe zaćmienie Księżyca było widoczne w Polsce 20 listopada 2002 roku. Maksymalna faza wyniosła 0,89. Zaćmienie rozpoczęło się o godzinie 0:33 czasu zimowego a zakończyło się o 5:01 CSE, maksimum zaćmienia nastąpiło o 2:47 CSE. Warunki widoczności zaćmienia będą dobre, gdyż Księżyc w czasie maksymalnej fazy będzie się wznosił na wysokość około 40 stopni nad horyzontem. Najbliższe całkowite zaćmienie Księżyca będzie widoczne w Polsce 16 maja 2003 roku. Niestety, w naszym kraju tylko początek zaćmienia będzie widoczny, Księżyc zajdzie przed momentem wystąpienia fazy całkowitej. Najbliższe zaćmienie całkowite w całości widoczne w Polsce nastąpi 9 listopada 2003 roku.
12. Zjawisko cienia i półcienia
Światło rozchodzi się po linii prostej, więc gdy napotka przeszkodę o rozmiarach podobnych z długością fali λ, to z tyłu za nią pojawi się cień. Jeżeli źródło światła jest punktowe to utworzy się cień pełny, a jeżeli źródło światła będzie miało duże rozmiary liniowe, to z tyłu przedmiotu utworzą się obszary cienia i półcienia.
Istnieje dużo różnych zjawisk optycznych i wciąż są odkrywane nowe. Wszystkie te zjawiska są zasługa naszej przyrody i to dzięki niej możemy cieszyć się ich pięknem. Odkrywanie tych zjawisk jest często zaskakujące jak np. widmo Brockenu, które większość ludzi często myli z np. objawieniem. Myślę, ze wszystkie zjawiska optyczne w przyrodzie ubarwiają nasza szara rzeczywistość.