Gazetka z fizyki. Zjawiska Przyrodnicze

Błyskawice

Co wywołuje błyskawice i grzmoty?

Błyskawica jest wyładowaniem elektrycznym o bardzo dużym natężeniu. Przenosi w kierunku Ziemi ujemne ładunki elektryczne. Przepływ ładunków może odbywać się wewnątrz chmury albo pomiędzy chmurą i powierzchnią gruntu. W danym momencie na naszej planecie jest 1500-2000 aktywnych burz, dających około 6000 błysków na minutę. Prawie 250 lat od czasów Beniamina Franklina, amerykańskiego naukowca, który udowodnił że, błyskawica jest formą elektryczności, nadal pozostaje wiele nie wyjaśnionych zagadnień związanych z elektrycznością atmosferyczną.
Aby zapoczątkować lawinę elektronów, które dadzą początek uderzenia błyskawicy, potrzebna jest w chmurze burzowej różnica potencjałów około 1 miliona Voltów/metr. Ten potencjał chmura burzowa wytwarza w ciągu tylko pół godziny. Jest to rezultat istnienia silnych występujących i zastępujących prądów powietrza. Warunkiem powstania pola elektrycznego chmury jest występowanie dużych kropel deszczu, gradu, bryłek lodu, które wędrując w chmurze zderzają się, a rozpadając wytwarzają ładunki elektryczne. Spadający strumień zyskuje ładunek ujemny, podczas gdy unoszący się – ładunek dodatni. Skutkiem tego ładunki ujemne gromadzą się w dolnej części chmury, ładunki dodatnie zaś – u jej wierzchołka. W momencie wyładowania iskra zaczyna wędrować z chmury do Ziemi, przenosząc ujemny ładunek elektryczny i pozostawiając za sobą kanał silnie zjonizowanego powietrza o średnicy 1-5 cm. Dowodem jest kształt pochodzący z uderzenia błyskawicy w piasek tzw. pioruniaków (fulgurytów) – stopionej w rurkowatej dziurce krzemionki. Kiedy błyskawica uderzy w wilgotne obiekty, takie jak: drzewo, droga, ściana, efekt cieplny jest tak duży, że wilgoć w nich zawarta może zagotować się gwałtownie rozrywając obiekt na kawałki.

Niebezpieczne błyskawice

Spływające w dół elektrony lub wyładowanie wstępne (lider), zwykle szukają najkrótszej i najlepiej przewodzącej drogi do gruntu. Nie tylko wysokie budynki, anteny telewizyjne i drzewa, ale również ludzie będący na otwartej przestrzeni, zwłaszcza trzymający metalowe przedmioty (np. kije golfowe, parasole), są narażeni na niebezpieczeństwo porażenia błyskawicą. Jednym z bezpieczniejszych miejsc chroniących od porażenia błyskawicą jest wnętrze samochodu, ponieważ prąd bezpiecznie spływa do Ziemi po jego metalowej karoserii. Najbardziej niebezpiecznym miejscem schronienia przed burzą są wysokie, samotne drzewa stające na otwartej przestrzeni; błyskawica uderza w drzewo, ponieważ jest ono wysokie, ale rozgałęzienia wyładowania mogą przechodzić przez ciało człowieka, ponieważ jest ono lepszym przewodnikiem elektryczności. Około ¼ ofiar porażenia błyskawicą stanowią osoby, które schroniły się pod samotnym drzewem.
Jedną z ciekawszych form błyskawicy jest błyskawica kulista. Jest to kula rozżarzonego gazu, znajdującego się w ruchu obrotowym, utworzona na drodze dwóch błyskawic liniowych, których wyładowania biegną w przeciwnych kierunkach. Błyskawice kuliste bardzo często przedostają się do mieszkań przez otwarte drzwi, okna i wszelkiego rodzaju szpary.
Objawami istnienia elektryczności atmosferycznego są dodatnie ładunki płynące ku górze z punktowych przedmiotów, takich jak drzewa lub strzeliste wieże kościelne. Mogą być one widziane jako pojedyncze iskierki lub miotełki iskierek. Z tego samego powodu włosy ludzkie mogą stawać do góry.


Ognie Św. Elma
Słabe przeważnie ciche wyładowania elektryczne w atmosferze Ziemi mają postać świecących wiązek na końcach ostro zakończonych przedmiotów (np. piorunochronów) występują głównie w górach. Są one niebieskawe podobne do płomieni lecz są one nieszkodliwe.


Jak powstaje piorun kulisty

Pojawia się nagle, zwykle podczas lub tuż po burzy. Ma kształt płonącej kuli, mieni się jasnym, choć nie oślepiającym światłem barwy czerwonej, pomarańczowej, żółtej lub białej. Rzadziej jest zielony lub błękitny.
Jest najczęściej wielkości brzoskwini lub piłki do koszykówki, choć obserwowano też takie o średnicy centymetra oraz kilku metrów. Rozpada się po kilku lub kilkudziesięciu sekundach. Czasem przy tym głośno grzmi, jak zwykły piorun, a czasem nic się nie dzieje - znika bez śladu.
Najdziwniejszy jest sposób, w jaki się porusza. Piorun kulisty najczęściej leci poziomo nad powierzchnią Ziemi, kilka metrów na sekundę. Lubi nagle i przypadkowo zmieniać kierunki, a zdarza się, że zastyga na krótki czas w miejscu.

Piorun kulisty

Piorun kulisty to zjawisko zachodzące w ziemskiej atmosferze i charakteryzujące się kulistym kształtem. Próby jego wyjaśnienia podejmowano od setek lat. Jeden z pierwszych eksperymentów przeprowadził Nikola Tesla w 1899 roku w górach Kolorado. Wielu naukowców po nim próbowało także rozwikłać tę zagadkę. Profesor James Tuck, jeden z konstruktorów bomby atomowej, w Los Alamos podczas swojego eksperymentu wysadził w powietrze barak przy pomocy urządzenia własnej i współpracowników konstrukcji, które wykorzystywało zbędne baterie z łodzi podwodnych. Generator wielkich mocy, który skonstruowali, oprócz spowodowania wybuchu wygenerował kule ogniste, które (jak twierdzą naukowcy) zostały zarejestrowane na taśmie video. W 1990 roku dwoje uczonych z Ohio, K.L. Corum i J.F.Corum, przeanalizowało ponownie prace Tesli z 1899 roku, a także zapoznało się z badaniami, jakie w Związku Radzieckim przeprowadzał B.M. Smirnow. Profesor Tuck trzydzieści lat temu wysunął teorie, ze może tu wchodzić w grę pewien rodzaj magazynowania energii chemicznej, a rosyjscy uczeni się z tym zgodzili. Od 1988 roku Corumowie zaczęli wytwarzać małe pioruny kuliste na zamówienie, stosując prąd o wysokim napięciu i częstotliwości radiowej. Fotografowali je i zarejestrowali na filmie video.

Pioruny liniowe
Scharakteryzować piorun liniowy jest stosunkowo łatwo dlatego, że jest to bardzo powszechne zjawisko. Zapewne każdy się z tym spotkał - burze z wyładowaniami elektrycznymi nie są rzeczą niezwykłą. Widok jasnej wstęgi na niebie nie jest chyba nikomu obcy, więc większość z nas wie jak wygląda iskra pioruna. Świecący kanał jest skutkiem przepływu ładunków (prądu elektrycznego), który ma na celu wyrównać potencjały między chmurą a ziemią. Błyskawicy (efekt wizualny) towarzyszy efekt dźwiękowy, zwany grzmotem, który jest powodowany przez rozprężanie się gazów w kanale piorunowym. Piorun to zjawisko bardzo gwałtowne, bardzo groźne dla istot żywych (w tym i dla człowieka), ale także bardzo piękne. Powstaje podczas burz i może uderzać od chmury w ziemię lub, szczególnie jeśli jest wysoki obiekt lub wzniesienie, od ziemi do chmury. Występują także wyładowania między chmurami i w obrębie jednej chmury, mają one jednak mniejszą energię niż te zwykłe miedzy chmurą a ziemią. Powietrze jest złym przewodnikiem prądu, więc piorun szuka najkrótszej drogi do ziemi, wybiera zatem najwyżej położone punkty i dobre przewodniki (maszty, dzwonnice, samotne drzewa, wieże kościelne, słupy energetyczne itp.). Nie jest to jednak zasada, bo piorun może uderzyć w pozornie bezpieczne miejsce. Zwłaszcza, gdy porusza się pod kątem do powierzchni ziemi (może wtedy porazić nawet podstawę wysokiego masztu). Ten czasem nawet poziomy ruch pioruna tłumaczy się tym, że przeskok iskry następuje kanałem najmniejszego oporu elektrycznego, a powietrze nie jest jednorodne i w różnych miejscach przewodzi prąd inaczej (przewodnictwu sprzyjają zanieczyszczenia, pyły, silna struga deszczu). Nieprawdą jest natomiast pogląd, że metale lub wysoko położone punkty ściągają pioruny.
Pioruny łańcuszkowe
W przypadku piorunów liniowych można pisać dużo bo nie tylko wiemy jak powstaje całe zjawisko, ale mamy ich tysiące zdjęć i możemy nawet próbować je wytwarzać laboratoryjnie w celu dokładniejszego poznania. W przypadku piorunów kulistych nie jest już tak dobrze. Nie wiemy o nich dużo, zdjęć jest znikoma ilość (szczerze mówiąc ja widziałem tylko kilka prawdziwych, dużo jest oszustów, podróbek i pospolitych złudzeń), a o generowaniu w warunkach laboratoryjnych nawet nie ma mowy. Jedyne co mamy to sprawozdania świadków, z których wyciągane są jedyne wnioski. W przypadku wyładowań snopiących jest dobrze bo wiemy o nich prawie wszystko. Odmienna sytuacja przedstawia się jeśli spojrzymy na sprawę piorunów paciorkowych: nie mamy ani wielu obserwacji, ani zdjęć, ani żadnych innych dowodów na poparcie ich istnienia - niektórzy z was mogą nawet wątpić w istnienie takich piorunów.
Utrzymuje się, że wyładowania paciorkowe, zwane inaczej łańcuszkowymi, widoczne są w postaci łańcuszka - oddzielonych punktów lub odcinków świetlnych (spotkałem się z opisem podwójnego pioruna kulistego z łańcuszkiem; pioruny kuliste (dwie kule) były połączone szeregiem małych kuleczek, jakby łańcuszkiem, sam nie jestem pewien do jakich wyładowań to zaliczyć - do kulistych, czy do paciorkowych). Zazwyczaj powstanie pioruna perełkowego jest zapoczątkowane wyładowaniem liniowym, które pozostawia po sobie szereg świecących części. Przerywana linia pioruna łańcuszkowego ma przeważnie większą średnicę niż kanał pioruna liniowego, a jej kolor oscyluje pomiędzy żółcią, a czerwienią. Oto relacja z obserwacji tego niecodziennego zjawiska, którą przedstawił pracownik Instytutu Elektrotechniki w Warszawie:

Jak powstaje burza?

Powietrze w górnych warstwach atmosfery jest o wiele zimniejsze niż przy powierzchni Ziemi. Ciepłe powietrze jest lżejsze od zimnego, więc unosi się do góry. W trakcie wznoszenia powietrze się rozpręża, a przy rozprężaniu wszystkie gazy bardzo się ochładzają. (Tak wygląda na przykład wypływ dwutlenku węgla z przebitego naboju do syfonu. Rozprężający się gaz ochładza się tak bardzo, że jego temperatura spada poniżej - 80 stopni Celsjusza i gaz zamienia się w tak zwany suchy lód, a cały nabój pokrywa się szronem).
Wznoszące się powietrze w trakcie rozprężania staje się chłodniejsze od otoczenia, a więc cięższe i opada na dół. Inaczej przebiega ten proces, gdy wznoszące się powietrze zawiera dużo pary wodnej. W miarę ochładzania się powietrza, zawarta w nim para wodna kondensuje się, czyli skrapla. Przy kondensacji, wydziela się dużo ciepła (tyle samo, ile wcześniej należało dostarczyć, aby woda odparowała). Uwalniające się ciepło powoduje, że powietrze wilgotne stygnie wolniej i jest stale cieplejsze, a więc lżejsze od otoczenia. To jest właśnie mechanizm, który powoduje, że w obszarze burzy powietrze bardzo gwałtownie - z prędkością pociągu pospiesznego - wznosi się do góry i osiąga wysokość powyżej 15 000 m. Na tej wysokości temperatura jest bardzo niska (około -60C). Skondensowane kropelki wody zamieniają się w lód, stopniowo łącząc się z sobą i tworząc coraz większe kryształy. Gdy cząsteczki lodu stają się zbyt wielkie, zaczynają spadać, pociągając za sobą w dół zimne powietrze. W trakcie opadania cząsteczki lodu topnieją i z chmury zaczyna padać deszcz. Ponadto stosunkowo chłodne powietrze, gdy tylko dotrze do powierzchni Ziemi, zaczyna rozchodzić się na boki. Dlatego zwykle przed burzą wieje chłodny wiatr. Opadanie cząsteczek lodu lub kropel wody związane jest z jeszcze jednym zjawiskiem. Ponieważ Ziemia naładowana jest ujemnie, dół kropli lub kryształka lodu ładuje się przez indukcję ładunkiem dodatnim.

CHUMRY

Rodzaje chmur

Cirrus:

Cirrus (chmury pierzaste) Cirrocumulus (chmury kłębiasto-pierzaste) oraz
Cirrostratus (chmury warstwowo-pierzaste)-chmury piętra górnego-należą do najwyższych chmur troposfery. Występują przy najniższych temperaturach i składają się z kryształków lodowych. Z wyglądu chmury tych wszystkich trzech rodzajów są białe, na wpół przezroczyste, mało zasłaniające światło słoneczne. Różnice między tymi trzema rodzajami chmur są następujące. Cirrus (pierzaste) wyglądają jak pojedyncze delikatne włókna, ławice lub wąskie pasma o strukturze włókniste. Cirrocumulus (kłębiasto- pierzaste)- są to ławice, płaty lub warstwy o wyraźnie zaznaczonej budowie, składającej się z bardzo drobnych ziarenek, kłaczków, zmarszczek, kędziorków. Często są one podobne do zmarszczek na powierzchni wody lub piasku. Cirrostratus (warstwowo-pierzaste) mają wygląd cienkiej przejrzystej białawej zasłony, pokrywającej niebo całkowicie lub częściowo. Niekiedy można w nich wyróżnić włóknistą strukturę. Chmury te powodują często występowanie zjawisk optycznych, tzw. halo, tj. jasnych lekko zabarwionych pierścieni (kręgów) dookoła tarcz niebieskich ciał świecących (Słońca, Księżyca) o promieniach 22 i 46 albo kombinacji łuków tych kręgów. Zjawiska te powstają wskutek załamania światła w kryształkach lodowych, z których składają się chmury, oraz odbicia światła od ich krawędzi

Cirrocumulus:

Altocumulus (chmury średnie kłębiaste), chmury piętra średniego-są to warstwy lub ławice chmur białych lub szarych (bądź częściowo białych, częściowo szarych). Są one dość cienkie, pomimo to jednak mniej lub bardziej zacieniają Słońce. Te warstwy lub ławice są złożone z płatów, zaokrąglonych brył, walców itd., często ułożonych szeregami. Pozorna szerokość tych elementów chmurowych na sklepieniu niebieskim wynosi 1-5. Gatunki chmur średnich kłębiastych są bardzo różnorodne. Charakterystycznym dla nich zjawiskiem optycznym są wieńce-barwne pierścienie o stosunkowo (kilka stopni) promieniu, otaczające ciało niebieskie (Słońce, Księżyc). Są one spowodowane ugięciem światła w kropelkach wody, z których składają się chmury. W chmurach średnich kłębiastych można obserwować również iryzację: brzegi chmur zwrócone ku Słońcu mają zabarwienie w kolorach tęczy. Iryzacja wskazuje również, że chmury średnie kłębiaste składają się z bardzo malutkich jednorodnych, przy niskich temperaturach przechłodzonych, kropelek wody.
Altocumulus:
Altocumulus (Ac) - chmury średnie kłębiaste. Tworzą one warstwę lub ławicę złożoną z płaskich brył lub walców. Najmniejsze warstwy, które są jeszcze regularnie ułożone, są cienkie i miejscami mają cienie. Pojedyncze elementy układają się w grupy, ciągi i zwoje w jednym lub dwu kierunkach. Wysokość występowania 3 - 5.5 km.
Altostratus:

Altostratus (chmury średnie warstwowe) w zasadzie należą również do piętra średniego, jednak ich górne części mogą przenikać i do piętra górnego. Ich pionowa grubość wynosi już kilometry; jest to płat lub warstwa chmur. szarawych albo niebieskawych, pokrywających niebo całkowicie lub częściowo. Przynajmniej w niektórych miejscach tych chmur można widzieć tarczę Słońca lub Księżyca, jednak tylko w postaci rozmazanej plamy, jak gdyby przez matowe szkło. Chmury średnie warstwowe są typowymi chmurami mieszanymi: obok nadzwyczaj drobnych kropelek wody występują w nich również drobne płatki śniegu. Dlatego takie chmury dają opady. Opady te jednak są bardzo słabe i podczas ciepłej pory roku z reguły wyparowują w drodze ku powierzchni Ziemi. W zimie z tych chmur pada często drobny śnieg.

Stratocumulus:

Stratocumulus (chmury kłębiasto - warstwowe) są położone w dolnym piętrze i składają się z ławic lub warstw szarych lub białawych chmur, mających prawie zawsze niektóre części o ciemniejszym zabarwieniu. Chmury te zbudowane są z takich samych elementów jak i chmury średnie kłębiaste: z płatów, zaokrąglonych brył, walców ; jednak człony te są większe niż w przypadku Altocumulus. Człony te są ułożone przeważnie regularnie szeregami. W większości przypadków chmury kłębiasto - warstwowe składają się z drobnych, jednorodnych kropelek, przy ujemnych temperaturach przechłodzonych, i nie dają opadów. Zdarza się jednak, że pada z nich słaba mżawka lub przy niskich temperaturach bardzo drobny śnieg.

Stratus:

Stratus (chmury niskie warstwowe) są również położone w dolnym piętrze atmosfery. Są to chmury najbliższe powierzchni Ziemi: na terenie równinnym ich wysokość nad powierzchnią Ziemi może wynosić zaledwie kilkadziesiąt metrów. Jest to z wyglądu jednorodna, szara warstwa, składająca się z kropelek wody, z której może padać mżawka. Lecz przy dostatecznie niskich temperaturach występują w tych chmurach elementy stałe; wówczas mogą wypadać z nich na Ziemię słupki lodowe, drobny śnieg lub krupa śnieżna. Zjawisko halo w chmurach tych nie występuje; tarcza słoneczna, o ile prześwieca przez chmury , ma wyraźne zarysy. Czasami chmury niskie warstwowe mają postać postrzępionych ławic; wówczas nazywają się Fractostratus (chmury niskie warstwowe, postrzępione).


Nimbostratus:

Nimbostratus ( chmury warstwowe deszczowe ) mają wspólne pochodzenie z Altostratus ( chmurami średnimi warstwowymi ). Tworzą one warstwę o znacznej grubości, dochodzącej do kilku kilometrów, mającej początek w piętrze dolnym i rozprzestrzeniającej się do piętra średniego, a często również i do górnego. W górnej części warstwy budowa tych chmur jest podobna do budowy tych chmur Altostratus ( średnich warstwowych ), natomiast w dolnej mogą one zawierać również duże krople wody oraz płatki śniegu.
Dlatego warstwa tych chmur ma wygląd bardziej ciemnoszary; tarcze ciał niebieskich przez nią nie przeświecają. Z tych chmur z reguły pada ciągły deszcz lub śnieg, dosięgający powierzchni Ziemi. Pod warstwą chmur warstwowych deszczowych występują często bezkształtne skupienia niskich poszarpanych chmur, szczególnie " ponurych '' na tle chmur warstwowych deszczowych.

Cumulus:

Cumulus (chmury kłębiaste) - są to oddzielne chmury występujące w piętrach dolnym i środkowym, z reguły gęste, o wyraźnie zarysowanych konturach, rozwijające się w kierunku pionowym w kształcie pagórków, kopuł lub wież, których część przypomina kalafior. Oświetlone przez Słońce części tych chmur są przeważnie lśniąco białe. Ich podstawy są stosunkowo ciemne i mniej lub bardziej poziome. Pod Słońce wydaje się, że chmury są ciemne, otoczone jasną obwódką. Chmury kłębiaste występują często tak licznie, że tworzą ławice. Czasami mają one postrzępione brzegi i wówczas noszą nazwę Fractocumulus (chmury kłębiaste postrzępione). Chmury kłębiaste składają się tylko z kropel wody i zwykle opadów nie dają. Jednak w obszarach zwrotnikowych, gdzie wodność chmur jest duża, wskutek łączenia się poszczególnych kropli, chmury te mogą dawać nieduże deszcze.

Cumulonimbus:

Cumulonimbus (chmury kłębiaste deszczowe) stanowią dalsze stadium rozwojowe chmur kłębiastych. Mają one postać potężnych mas kłębiastych o dużej pionowej rozciągłości w kształcie gór i wielkich wież i sięgają często od piętra dolnego aż do górnego. Przesłaniając Słońce, mają "ponury" wygląd i zmniejszają w dużym stopniu oświetlenie. Ich wierzchołki są spłaszczone mają włóknistą, prążkowaną strukturę i często charakterystyczny kształt kowadła. W górnych częściach chmury kłębiaste deszczowe składają się z kryształków lodu, natomiast w dolnych - z kryształków lodu oraz kropelek wody różnych wielkości, do największych włącznie. Dają one opady przelotne (ulewy); są to deszcze o dużym natężeniu, którym towarzyszy niekiedy grad, a w zimie - obfity, gęsty śnieg i krupa. Związane są z nimi często zjawiska burzowe. Dlatego chmury te nazywane są też chmurami burzowymi. Na ich tle obserwuje się często tęczę. Pod podstawą tych chmur, podobnie jak i pod podstawą chmur warstwowych deszczowych, występują często skupienia chmur postrzępionych (gatunku Fractostratus lub Fractocumulus ).

Zjawiska atmosferyczne


Zorza polarna

Zorze polarne mają postać świecących, drżących, kolorowych zasłon i wstęg lub obłoków na nocnym niebie. W większości przypadków mają odcień zielony lub niebieskozielony. Jeżeli zorza widoczna jest niemal nad głową, to patrząc na jej dolną krawędź odnosi się wrażenie, iż jest niezwykle cienka i wysoka. Zorza może rozciągać się w górę na wysokość 650-800 kilometrów, choć niektóre zorze mają wysokość zaledwie 30-50 kilometrów.
Mechanizm powstawania - Świecenie zorzy odbywa się na zasadzie podobnej jak w żarówce jarzeniowej. Rozpędzone obdarzone ładunkiem elektrycznym cząstki wiatru słonecznego (protony i elektrony) wpadają w magnetosferę ziemską i wzbudzają do świecenia atomy gazów wchodzących w skład atmosfery.
Barwy - Świecenie zielone i czerwone powodują wzbudzone atomy tlenu, podczerwone i fioletowe - zjonizowane cząsteczki azotu.
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).
Zorza północna zwana jest aurora borelais a zorza południowa aurora australis. Zorze mogą być jednak widziane nawet na umiarkowanych szerokościach geograficznych obu półkul.
Przebieg zjawiska ma kilka faz:
Najpierw pojawia się zielone światło zwane "cichym łukiem". Tworzą go pionowe warstwy lub kurtyny świetlne o grubości zaledwie kilkuset metrów, które biegną wzdłuż linii o tej samej szerokości geomagnetycznej. Może się rozciągać na przestrzeni setek, a nawet tysięcy kilometrów i zwykle utrzymuje się bez większych zmian mniej więcej przez godzinę
Jeżeli zaburzenie magnetyczne zanika, ginie również łuk; jeżeli jednak jego intensywność wzrasta, wówczas następuje stadium wzmożonej aktywności. Dolna krawędź łuku staje się wtedy ostrzejsza i gwałtownie jaśnieje, przybierając barwę błękitnawą i przesuwając się szybko na południe. W tym samym czasie łuk rozpada się na równoległe promienie lub wiązki promieni, rozciągając się w górę ku zenitowi. Zwykle przesuwają się one na zachód wzdłuż linii łuku.
Dalszy wzrost intensywności zorzy stanowi oznakę, że zbliża się trzecie stadium. Jest to korona zorzy polarnej, czyli najbardziej widowiskowa - choć krótkotrwała - część całego spektaklu. Kurtyna świetlna znajduje się wówczas niemal ponad obserwatorem i patrząc w nią można dostrzec okrągłe, przypominające koronę obiekty, z promieniami i pasmami zbiegającymi się w jeden punkt. Czasami korona łączy się, tworząc na niebie łuk lub obraz świetlnej flagi; bywa też, że pulsuje gwałtownie i emituje tysiące promieni przypominających strugi deszczu lub spadające strzały.
Po zaniknięciu korony następuje okres gwałtownej aktywności zorzy, zwany na Wyspach Szetlandzkich, na północ od Szkocji, Mewy Dancers (Weseli tancerze). Widowisko składa się w tym stadium z wstęg lub pasów świetlnych, które w pulsującym rytmie zanikają i pojawiają się znowu. Czasami towarzyszą temu rozbłyski w kształcie płomieni - najbardziej fascynujące zjawisko zorzy polarnej.
Zorzy często towarzyszą krótkotrwałe pola elektryczne w górnych warstwach atmosfery, które indukują prądy na powierzchni Ziemi. Prądy te zaburzają pracę dalekopisów i telefonów, wykorzystujących długie linie komunikacyjne, a także powodują błędne odczyty aparatury używanej do poszukiwań ropy naftowej lub minerałów. Silne prądy mogą nawet uruchomić wyłączniki awaryjne, powodując przerwy w dostawie prądu, jak to się wydarzyło w marcu 1968 roku w Quebec, w Kanadzie.

Tecza

Wszyscy wielokrotnie obserwowaliśmy to przepiękne zjawisko - obraz kolorowych łuków na tle chmur. Doświadczenie nauczyło nas spodziewać się tęczy gdy po deszczu pokaże się słońce i oświetli deszczowe chmury w oddali. Przyzwyczailiśmy się też szukać jej, stając tyłem do słońca - może jednak warto chwilę zastanowić się jak powstaje to najczęściej przez nas obserwowane zjawisko optyczne w atmosferze...


Wyjaśnienie zjawiska tęczy podał w 1637 roku Kartezjusz. Pokazał on geometrycznie, że wskutek załamania i odbicia światła wewnątrz kropli wody, następuje koncentracja promieni wychodzących z kropli pod maksymalnym kątem wynoszącym około 40-42. Oznacza to więc, ze tęcza jest okręgiem o szerokości kątowej około 42. Łatwo się o tym przekonać próbując sfotografować niewielką tęczę utworzoną na przykład w kroplach fontanny. Okazuje się, że tęcza nie zmieści się w standardowym obiektywie fotograficznym, co więcej nie pomoże nam oddalanie się od niej! Bez względu na to z jakiej odległości będziemy patrzeć na tęczę - jej rozwartość kątowa będzie wynosić wspomniane 42.
Wyżej napisaliśmy, że tęcza jest okręgiem... a przecież każdy z nas wie że jest to łuk... W rzeczywistości tęcza jest okręgiem, którego część leży pod horyzontem i jest dla nas niewidoczna. Jeżeli słońce znajduje się wysoko na niebie, to część tęczy leżąca nad horyzontem jest niewielka, o zachodzie natomiast tęcza wznosi się wysoko nad widnokręgiem. Środek tęczy zwany jest punktem antysolarnym - znajduje się on naprzeciwko słońca i leży pod horyzontem. W praktyce położenie punktu antysolarnego wyznacza cień głowy obserwatora na ziemi.
Warto wiedzieć, że Kartezjusz obliczył też, że promień może w kropli odbić się dwukrotnie. Następuje wówczas koncentracja promieni w kącie 51 co niejednokrotnie obserwujemy jako wtórny łuk tęczy. Jego natężenie jest oczywiście słabsze, gdyż część światła tracona jest podczas drugiego odbicia wewnątrz kropli. Dziś wiemy, że promień wewnątrz kropli może odbić się także więcej razy dając tęcze wyższych rzędów. Położenie tęczy trzeciego rzędu obliczył Edmond Halley. Obecnie w laboratoriach przy użyciu światła laserowego otrzymuje się tęcze nawet trzynastego rzędu zlokalizowane zgodnie z kartezjuszowskim modelem.
Kartezjusz wytłumaczył jednak tylko miejsce powstania tęczy - nie znał mechanizmu powstawania jej barw. Wyjaśnił to dopiero Izaak Newton na gruncie znajomości zjawiska dyspersji. Ponieważ białe światło jest mieszaniną światła o różnych barwach a współczynnik załamania światła jest różny dla światła o różnej barwie, więc światło białe biegnąc wewnątrz kropli wody ulega rozszczepieniu - jego poszczególne składowe załamują się pod nieco różnym kątem: światło czerwone przechodzące z powietrza do wody załamuje się w mniejszym stopniu niż niebieskie - w efekcie tęcza jest różnokolorowa. Zmiana kolejności barw ma miejsce za każdym razem gdy następuje załamanie światła - zauważmy, że w tęczy głównej kolor czerwony znajduje się po zewnętrznej stronie łuku, w tęczy wtórnej kolejność jest odwrotna. Kształt łuku, jaskrawość kolorów, szerokość pasm zależą od rozmiarów i zagęszczenia kropelek wody w powietrzu: im większe są krople tym węższa jest tęcza lecz jej barwy są wyraźniejsze, dlatego najpiękniejsze tęcze widoczne są na tle burzowych chmur, z których spadają duże krople deszczu.