Zjawiska atmosferyczne i ich przyczyny

Tęcza, gloria i halo

Jednym z najpiękniejszych zjawisk atmosferycznych jest tęcza. Obserwowana jest ona na niebie zawsze po stronie przeciwnej niż znajduje się Słońce. Jej tło stanowią chmury deszczowe lub ściana deszczu. Odległość tęczy od obserwatora znajdującego się na powierzchni Ziemi wynosi zwykle od jednego do dwóch kilometrów.

Od najdawniejszych czasów tęcza fascynowała wszystkich, od uczonych po zwykłych ludzi. Starożytni Grecy wierzyli, że w ten sposób uśmiecha się bogini Iris.

Warto zastanowić się jak dochodzi do powstania tego pięknego zjawiska. Mianowicie ważną role odgrywają tutaj zjawiska odbicia , załamania oraz rozszczepienia światła. Zjawiska te zachodzą na granicy dwóch ośrodków jakimi są: powietrze oraz woda w postaci kropelek deszczu.

Tęcza ma postać wielobarwnego łuku. Wyróżnia się tzw. łuk główny, który powstaje w wyniku dwukrotnego załamania oraz odbicia światła w kropelkach deszczu.

Wewnątrz łuku dominują barwy niebiesko - fioletowe, natomiast na zewnątrz czerwone. Ciekawą własnością tego zjawiska jest różnica w barwie nieba na zewnątrz i wewnątrz łuków. I tak na zewnątrz niebo jest ciemniejsze.

Punkt stanowiący środek tęczy można wyznaczyć przedłużając prostą łączącą obserwatora i Słońce.

Czasem widoczna jest jeszcze tzw. tęcza wtórna. Powstaje ona w wyniku dwukrotnego odbicia światła w kropli deszczu. Łuk tęczy wtórnej ma odwrotny rozkład barw i jest współśrodkowy w stosunku do łuku pierwotnego.

Zjawisko odbicia fali świetlnej jest przyczyną także innego zjawiska. Każdy może osobiście zobaczyć jego skutki . Należy tylko stanąć na wzniesieniu i obrócić się w takim kierunku aby za plecami mieć Słońce. Wtedy cień postaci pada na dolinę gdzie zgromadzona jest mgła. Wokół padającego cienia pojawia się biały lub kolorowy pierścień. Podobne zjawisko może być obserwowane z okien samolotu, który rzuca cień na chmury.

Do zjawiska tego zwanego glorią dochodzi ugięcia się fali świetlnych na przeszkodach jakimi są kropelki deszczu. Gdy dodatkowo dochodzi do powiększenia cienia to wtedy takie zjawisko nosi nazwę zjawiska Brockenu.

Inne ciekawe zjawisko powstające na skutek odbicia i załamania promieni świetlnych nazywa się zjawiskiem halo. Obserwowane są w postaci wielobarwnych pierścieni lub plam pojawiających się obok Słońca lub Księżyca. Są to tzw. pozorne słońca i księżyce.

Burza

Innym rodzajem zjawiska jest burza. Szczególnie efektowny element burzy czyli piorun już nie jest zjawiskiem optycznym, ale jest rodzajem zjawiska elektrycznego. Piorun powstaje w wyniku nagromadzenia się dużej ilości ładunków elektrycznych w chmurach. Ten napływ ładunków trwa dosyć długo. Gdy dojdzie do uformowania chmury burzowej w jej skład wejdą kryształki lodu oraz krople deszczu.

W chmurze burzowej w kropelkach wody oraz kryształkach lodu zachodzi zjawisko elektryzowania. Te fragmenty kropel, które zwrócone są w kierunku Ziemi zostają naładowane dodatnio. Takie naładowane dodatnio cząsteczki będą teraz odpychać inne dodatnie ładunki, natomiast będą przyciągać ładunki ujemne. W efekcie dochodzi do odseparowania ładunku elektrycznego w chmurze burzowej. Następnie następuje gromadzenie się ładunków ujemnych w dolnych warstwach chmury a dodatnich w górnych. Na skutek takiego rozkładu ładunków dochodzi do wytworzenia olbrzymiej różnicy potencjałów między chmurą a powierzchnią Ziemi. W końcu następuje wyładowanie elektryczne czyli piorun. Najpierw tzw. ładunek przewodni przenosi w kierunku Ziemi ujemne ładunki elektryczne pozostawiając za sobą kanały zjonizowanego powietrza. Ten ładunek przewodni pozostawia po sobie ścieżki. One zaczynają wydłużać się w kierunku Ziemi i w momencie gdy jedna z nich dotrze do powierzchni dochodzi do wyładowania wstępnego. Następnie z Ziemi w kierunku chmury zaczyna biec jasne wyładowanie zwane powrotnym, które przenosi do chmury prądy dodatnie. Potem znowu pojawiają się kolejne wyładowania wstępne i powrotne, aż do całkowitego zneutralizowania ładunków w chmurze burzowej. Błyskawice jako takie są bezbarwne. Można je zobaczyć na skutek świecenia rozgrzanych cząsteczek powietrza.

Każdy z nas wie, że pojawieniu się pioruna zawsze towarzyszy grzmot. Powstaje on ponieważ wraz z przejściem błyskawicy następuje bardzo duży wzrost temperatury gazów w otoczeniu błyskawicy. Dzieje się tak ponieważ wskutek przepływu prądu dochodzi do emisji dużej ilości ciepła. Jest to uzależnione od natężenia tego prądu. Wzrostowi temperatury musi towarzyszyć wzrost objętości powierza. I dlatego w przypadku tak dużego wzrostu temperatury jaki ma miejsce przy przejściu pioruna aby mogło dojść do wyrównania ciśnień to następuje gwałtowne rozprężenie powietrza. Dzieje się to z prędkością większą od prędkości dźwięku. Wtedy właśnie powstaje fala uderzeniowa słyszana jako grzmot.

Przeciętny piorun charakteryzuje się długością rzędu kilometra, ale bywają też takie o długości dziesięciu kilometrów i większej. Natomiast wielkość napięcia między powierzchnią Ziemi długość chmurą wynosi przeciętnie kilkaset megawoltów.

Szczególnym rodzajem piorunów są pioruny kuliste. Ich natura nie została poznana. Cechy tego pioruna określono tylko i wyłącznie na podstawie obserwacji świadków zdarzenia. Piorun kulisty może przyjmować różny kształt, w 50 % przypadków ma ogon. Niektórzy dopatrują się w piorunie kulistym kuli ognia, a jeszcze inni twierdza, ze może on być zbudowany z antymaterii.

Urządzeniem, które zabezpiecza nasze domy przed uderzeniem pioruna jest piorunochron zwany dawnej odgromnikiem. Został on skonstruowany przez Beniamina Franklina. Pierwsze piorunochrony funkcjonowały w Filadelfii, gdzie mieszkał Franklin. Potem rozpowszechniły się na świecie.