W życiu codziennym każdy z nas może zaobserwować wiele zjawisk optycznych.
Oto ich pochodzenie:
- obserwacje terenu - Zazwyczaj kiedy człowiek patrzy w dal, osłania od góry oczy ręką. Dłoń nasza chroni oko przed światłem padającym z góry, które normalnie ulega rozproszeniu w oku i obraz krajobrazu zaciera w ten sposób smuga rozproszonego białego światła. Jeszcze lepszy efekt uzyskamy gdy dłoń zwiniemy w rurkę.
- firanka okienna - Gdy w dzień spojrzymy na okno mieszkania to firanka wyraźnie przeszkadza nam dojrzeć, co znajduje się wewnątrz. Wynika to stąd że firanka jest mocno z zewnątrz oświetlona co daje jej pewną jasność, do której dodają się jasności przedmiotów znajdujących się w pokoju. Jeśli jasności przedmiotów są nieduże w porównaniu z jasnością firanki to przestajemy je w ogóle widzieć.
Odwrotna sytuacja jest w nocy. Jeśli w pokoju pali się światło to widzimy przez firankę wnętrze zupełnie wyraźnie. Zewnętrzna powierzchnia zasłony nie jest w tym wypadku oświetlona.
- czerwone oczy na zdjęciu - Ponadto możemy zaobserwować oczy kota w nocy, gdy oświetlimy go światłem. Jest to światło odbite kierunkowo (tj. światełka odblaskowe). Promienie przechodzące przez rogówkę oka kota tworzą tam ostry obraz. Obraz ten odbija świtało tak, że wiązka promieni wraca praktycznie tą samą drogą. Aby to zaobserwować wyraźnie, oko obserwatora i oko kota musza się znajdować na jednej prostej ze źródłem światła.
Zjawiska optyczne w przyrodzie
Poniżej przedstawiam grupę zjawisk wraz z wyjaśnieniami, z którymi każdy może się zetknąć obserwująć przyrodę.
- migotanie gwiazd - Zmiany położenia gwiazdy są wynikiem zmian zakrzywienia promienia świetlnego w prądach gorącego i zimnego powietrza. Zmiany jasności powstają dlatego, że nieregularnie biegnące promienie w niektórych miejscach nad ziemią skupiają się, a w innych są rozrzedzane. Całość się nieustannie przesuwa (np. wskutek wiatru) i dlatego obserwator raz trafia w bardziej oświetlone, innym razem w mniej oświetlone miejsce. Zmiany barwy należy tłumaczyć dyspersją przy normalnym zakrzywieniu ziemskim promieni - drogi promieni o różnej barwie nieco się od siebie różnią. Zjawisko migotania jest tym częstsze im gwiazda leży bliżej horyzontu, dlatego że wtedy patrzymy przez grubszą warstwę powietrza.
- błękit nieba - Jak wszyscy wiem światło nieba jest po prostu rozproszonym światłem Słońca. Zawiera wiele fioletu, sporo światła niebieskiego, trochę mniej zielonego i bardzo mało żółtego i czerwonego. Połączenie tych kolorów daje ton błękitu, jaki ma niebo. Ośrodkami rozproszenia są same cząsteczki powietrza. Zjawiskiem rozpraszania światła rządzi prawo Rayleigha: natężenie promieniowania rozproszonego jest odwrotnie proporcjonalne do kwadratu długości fali.
Ze wzoru widać, że najlepiej rozpraszają się fale krótkie (fiolet). To samo prawo odpowiedzialne jest za kolor słońca o zachodzie lub wschodzie. Tłumaczymy to tym, że promienie słoneczne muszą przejść przez grubszą warstwę atmosfery. Zatem docierają do nas bezpośrednio promienie długofalowe - czerwone, krótkofalowe zostały silnie rozproszone.
Miraż można zauważyć jadąc w lecie samochodem po rozgrzanej szosie. Odnosimy wówczas wrażenie, że daleko przed nami drogę pokrywają kałuże. Powierzchnia drogi wydaje nam się mokra jedynie wtedy gdy jest silnie nagrzana przez słońce, oraz gdy horyzont w dali jest pusty. Od nagrzanej nawierzchni nagrzewa się stykające się z nią powietrze, w wyniku czego gęstość powietrza tuż przy nawierzchni jest najmniejsza (bo powietrze jest najcieplejsze) i rośnie z wysokością (temperatura powietrza maleje). Z tego wynika, że współczynnik załamania jest również mniejszy w niższych warstwach powietrza. Promień świetlny pada skośnie od góry napotykając warstwy powietrza, których gęstość stopniowo maleje, wówczas następuje załamanie w przeciwnym kierunku i zakrzywienie promienia ku górze. Gdy biegnie już prawie stycznie ulega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu i biegnąc dalej przechodzi do obszarów o coraz większej gęstości i znowu się zagina. W wyniku obserwator widzi światło idące od strony nieba z punktu A, tak jakby przechodziło z punktu B. Dokładnie tak samo jakby na ziemi znajdowała się kałuża. Miraż pustynny powstaje w ten sam sposób. Dodatkowo przedmioty jawią się nam odwrócone i czasem można zobaczyć obraz odwrócony, nie widząc przedmiotu oryginalnego. Gdy przedmiot będzie bardzo wysoki, wierzchołek będziemy widzieć jako rzeczywisty przedmiot (powietrze jest tam mniej nagrzane), a poniżej odwrócony obraz podstawy. Na Arktyce występują również miraże, tylko że w formie odwrotnej niż na pustyni, ponieważ najniżej leży powietrze zimnie stykające się ze śniegiem lub lodem.
Irradiacja - jest złudzeniem optycznym polegającym na pozornym zwiększaniu się przedmiotów świecących się na ciemnym tle. Przyczyną jest to, ze obraz powstający w oku ulega deformacji w wyniku dyfrakcji i niedoskonałości optycznej oka. W przyrodzie irradiację możemy czasem obserwować przy zachodzie słońca (rysunek poniżej).
Tęcza
Pierwsze naukowe wyjaśnienie powstawania tęczy było dziełem Arystotelesa. Zakładało ono, że zjawisko to jest powodowane załamaniem się promieni świetlnych na kroplach deszczu. Jednak w r. 1253 Robert Grosseteste prowadzący badania w Oxfordzie wykazał, że Arystotelesowskie wyjaśnienie jest niewystarczające. Tłumaczyło ono sferyczną formę tęczy, ale nie jej kolor. Eksperymenty Grossetesta z wypełnionymi wodą szklanymi sferami pokazywały, jak promienie Słońca rozszczepiały się na kropli wody i jak towarzyszył temu zanik białego światła na rzecz kolorowych warstw. Doświadczenie kontynuował franciszkanin Roger Bacon (ok. 1292), który studiował formowanie się obrazów oglądanych przez naczynia z wodą, co odpowiadało działaniu soczewki. Pod koniec stulecia prace te zaowocowały poprawną jakościowo teorią wyjaśniającą tęczę, opracowaną przez niemieckiego dominikanina Dietricha z Fryburga. Tęcza powstaje przez rozszczepienie światła białego i odbicie 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). Zazwyczaj widoczny jest jedynie pierwszy łuk o promieniu zewnętrznym 42,5 stopnia, ułożony symetrycznie wokół przedłużenia prostej łączącej obserwatora ze Słońcem (barwa czerwona na zewnątrz, fioletowa wewnątrz). Drugi łuk ma promień zewnętrzny 54 stopnie i odwróconą kolejność barw.
Halo
Zjawisko halo powstaje w zamgleniu chmur typu cirrostratus lub cirrus, składające się z małych kryształków lodu o regularnym kształcie. Na rysunku przestawiono schematycznie niektóre z najważniejszych zjawisk halo. Teraz umówię "Małe koło" które jest najczęstszą formą halo. Powstaje w wyniku załamania światła na kryształkach sześciokątnych lodu, które załamują światło tak jak pryzmat o kącie łamiącym równym 60. Najmniejsze odchylenie określa wzór:
Podstawiając za A = 60 n=1,31 otrzymamy D=22, czyli dokładnie promień małego halo ! Zjawiska halo są zjawiskami bardzo złożonymi, oprócz załamania swój udział wnosi dyfrakcja i interferencja
Zorza polarna, zjawisko świetlne (luminescencja) występujące w górnych warstwach atmosfery (w jonosferze lub egzosferze) na wysokości od 65 do 400 km (rzadko do 1200 km) nad powierzchnią Ziemi, najczęściej w odległości 20-25 od bieguna geomagnetycznego Ziemi (północnego lub południowego).
Zorza polarna powstaje w wyniku oddziaływania wiatru słonecznego na magnetosferę Ziemi (pasy Van Allena). Pojawia się jako barwne (białe, żółte, zielone, czerwone, niebieskie, fioletowe) smugi, wstęgi lub zasłony, falujące lub pulsujące na niebie.
Widmo Brockenu, zjawisko Brockenu, zjawisko świetlne (fotometeor) rzadko występujące w atmosferze ziemskiej. Powstaje w górach, przy niskim położeniu Słońca nad horyzontem, gdy cień turysty stojącego na szczycie pojawia się na chmurach warstwowych zalegających w dolinach (tzw. morze chmur, morze mgieł). Cień często otoczony jest barwną aureolą (wieńcem). Nazwa zjawiska pochodzi od wzniesienia Brocken w górach Harz (Niemcy), gdzie zaobserwowano je po raz pierwszy.