Wizje optyczne w przyrodzie

Wszyscy jesteśmy w stanie zauważyć kilkanaście zjawisk optycznych w codziennym życiu. Przedstawmy genezę kilku z nich:

- oglądanie terenu - Na ogół gdy patrzymy w dal, osłaniamy od góry oczy dłonią. Ręka nasza uchroni nasze oko przed promieniami światła, które dochodzą do nas z góry. To promienie naturalnie ulega rozproszeniu w oku, zatem obraz krajobrazu zaciera w związku z tym smugę rozproszonego białego światła. Natomiast gdy rękę zawiniemy w rurkę otrzymamy o wiele lepszy efekt.

- firanka powieszona w oknie - Gdy w ciągu dnia spoglądamy w okno to firanka utrudnia nam oglądanie krajobrazu za oknem. Spowodowane jest to rym, iż firanka jest oświetlona bardzo silnie z zewnątrz co powoduje, że pewną część jej jasności, na którą składają się również jasności rzeczy będące się w pomieszczeniu. Jeżeli jasności rzeczy są małe porównując z jasnością firanki to nie będziemy ich wcale widzieć.

Natomiast w nocy jest odwrotnie. Jeżeli w pomieszczeniu zapalone jest światło to możemy obserwować przez firankę środek pomieszczenia. Wówczas zewnętrzna powierzchnia zasłony nie jest oświetlona.

- efekt czerwonych oczu - Jesteśmy w stanie zobaczyć w nocy oczy kota, wówczas gdy skierujemy na niego światło. Jest to światło odbite kierunkowo (takie samo jak światełka odblaskowe). Promienie, które przechodzą przez rogówkę oka kota powodują powstanie tam ostrego obrazu. Obraz ten następnie odbija świtało w taki sposób, że wiązka promieni powraca taką samą drogą. By dobrze zobaczyć to zjawisko, oko obserwującej osoby oraz oko kota powinny umieszczone być na jednej prostej ze źródłem światła.

Optyczne zjawiska zachodzące w przyrodzie

Teraz omówimy i wyjaśnimy zjawiska, z którymi wszyscy stykamy się na co dzień obserwując przyrodę.

- migotanie ciał niebieskich - Zmiana lokalizacji ciała niebieskiego spowodowana jest zmianą zakrzywienia promienia światła w prądach zimnego oraz gorącego powietrza. Zmiany jasności biorą stąd, iż są nieregularnie wysyłane promienie w pewnych obszarach nad naszą planetą, w innych gromadzą się, natomiast jeszcze w innych są rozrzedzane. Jednak całość przemieszcza się (np. pod działaniem wiatru), w związku z czym osoba obserwująca czasami trafi na mocniej oświetlone, czasami na słabiej oświetlone obszary. To że kolory się zmieniają da się wytłumaczyć dyspersją przy naturalnym zakrzywieniu promieni - bieg promieni o różnych kolorach w pewnym stopniu się od siebie różnią. Wrażenie migotania jest częste jeżeli ciało niebieskie znajduje się blisko horyzontu, ponieważ wówczas patrzymy przez grubą warstwę powietrza.

- niebieski kolor nieba - Wszystkim jest wiadomo, że światło nieba jest rozproszonym światłem Słońca. Wyposażone jest w fiolet, dużą ilość światła niebieskiego, nieco mniej zielonego oraz mała ilość żółtego oraz czerwonego światła. Złączenie tych barw da nam kolor błękitny, taki właśnie jaki ma niebo. Ośrodkami rozproszenia są cząsteczki powietrza. Wrażenie rozpraszania światła opisuje prawo Rayleigha: natężenie promieniowania rozproszonego jest odwrotnie proporcjonalne do kwadratu długości fali.

Bardzo dobrze, chyba najlepiej rozpraszają się krótkie fale (fiolet). Dzięki temu prawu również da się wytłumaczyć barwę słońca o zachodzie albo wschodzie. Tłumaczy się to w następujący sposób. Promienie słoneczne muszą przebić się przez grubą warstwę atmosfery. W związku z tym dochodzą do nas od razu promienie długofalowe - czerwone, natomiast krótkofalowe promienie zostały rozproszone.

- miraże - Miraż da się zaobserwować przemieszczając się latem samochodem po gorącej ulicy. Mamy wtedy wrażenie, iż daleko przed nami ulice pokryte są kałużami. Mamy wrażenie, że nawierzchnia ulicy jest mokra. Jest tak gdy ulica jest bardzo rozgrzana przez słońce, a także gdy horyzont w dali jest niepusty. Od rozgrzanej powierzchni rozgrzewają się dotykające się z nią powietrze, w związku z czym gęstość powietrza zaraz przy powierzchni jest bardzo mała (ponieważ powietrze jest bardzo ciepłe), oraz wzrasta wraz z wysokością (maleje temperatura powietrza). Widać zatem, iż współczynnik załamania jest także mały w niskich warstwach powietrza. Promień świetlny pada pod skosem od góry spotykając na swojej drodze warstwy powietrza, których gęstość zmniejsza się, wtedy nastąpi załamanie w drugim kierunku oraz zakrzywienie promienia ku górze. W momencie gdy biegnie stycznie ulega wówczas całkowitemu wewnętrznemu odbiciu, gdy biegnie dalej przedostaje się do obszarów o znacznie większej gęstości i ponownie się zagina. W związku z tym obserwator zauważa światło biegnące od strony nieba z punktu A, tak jakby przechodziło z punktu B. Jest taka sama sytuacja jakby na naszej planecie była wielka kałuża. Miraż pustynny w ten sam sposób się tworzy. Dodatkowo rzeczy jawią się nam odwrócone a także niejednokrotnie zaobserwować możemy obraz odwrócony, nie obserwując przedmiotu oryginalnego. Gdy rzecz umieścimy bardzo wysoki, wierzchołek wówczas zauważać będziemy jako przedmiot rzeczywisty przedmiot (powietrze znajdujące się tam jest słabo rozgrzane), natomiast niżej obraz podstawy odwrócony. Na Arktyce zauważalne są także miraże. Występują one jednak w postaci odwrotnej aniżeli na pustyni, gdyż nisko jest powietrze zimnie, które styka się ze śniegiem albo lodem.

- irradiacja - jest złudzeniem optyczne. Oglądając przedmiot świecący na ciemny tle zobaczymy obraz pozornie większy. Związane jest to z tym, iż obraz, który tworzy się w oku podlega deformacji w związku z dyfrakcją oraz niedoskonałością optyczną naszego oka. W przyrodzie irradiację da się zauważyć czasami przy zachodzie słońca (niższa fotografia).

- tęcza - Pierwszych prób wytłumaczenia zjawiska tworzenia się tęczy podjął się Arystoteles. Według jego hipotezy tęcza powstawała na skutek załamania się promieni świetlnych w kroplach deszczu. Natomiast w r. 1253 Robert Grosseteste przeprowadzający analizy w Oxfordzie dowiódł, iż Arystotelesowskie tłumaczenie nie wystarcza. Wyjaśniało ono sferyczną postać tęczy, natomiast nie tłumaczyło jej barw. Doświadczenia Grossetesta z zapełnionymi wodą szklanymi sferami ukazywały, jak promienie Słońca rozszczepiały się na kroplach wody oraz jak towarzyszyło temu zanikanie białego światła na rzecz barwnych warstw. Eksperymenty te dalej przeprowadzał franciszkanin Roger Bacon (ok. 1292), który obserwował kształtowanie się obrazów patrząc przez naczynia wypełnione wodą. Odpowiadało to działaniu soczewki. Na koniec stulecia doświadczenia te doprowadziły do powstania teorii tłumaczącej powstawanie tęczy. Została ona przedstawiona przez niemieckiego dominikanina Dietricha z Fryburga. Tęcza pojawia się dzięki rozszczepieniu białego światła oraz odbiciu ich wewnątrz kropelek deszczu. Pierwszy łuk powstaje na skutek jednokrotnego, natomiast drugi dwukrotnego odbicia rozszczepionego światła w środku kropelki (tłumaczy to odwróconą kolejność kolorów oraz małe natężenie światła). Na ogół zauważalny jest tylko pierwszy łuk o promieniu zewnętrznym 42,5 stopnia, położony symetrycznie wokół przedłużenia prostej, która łączy osobę obserwującą ze Słońcem (kolor czerwony na zewnątrz, fioletowy w środku). Drugi łuk posiada promień zewnętrzny 54 stopnie oraz odwróconą kolejność kolorów.

- efekt halo - Efekt halo tworzy się w zamgleniu chmur typu cirrostratus albo cirrus, które zbudowane są z bardzo niewielkich kryształów lodu o wyglądzie regularnym. Na rysunku pokazano część bardzo ważnych zjawisk efektów halo. Omówmy tak zwane "Małe koło" które jest najczęściej spotykanym rodzajem halo. Tworzy się na skutek załamania światła na kryształach sześciokątnych lodu, które załamują światło w taki sam sposób jak pryzmat o kącie łamiącym równym 60°. Małe odchylenie wyznacza się przy pomocy równania:

Wstawiając za A = 60° n=1,31 uzyskamy D=22°, zatem promień małego halo ! Efekty halo są zjawiskami bardzo skomplikowanym, nie tylko załamanie ale także dyfrakcja czy interferencja maja tutaj swój udział.

Zorza polarna - jest to zjawisko świetlne ( luminescencja) powstające w górnych warstwach atmosfery (w jonosferze albo egzosferze) na wysokościach z przedziału od 65 do 400 km (bardzo rzadko do 1200 km) nad powierzchnią naszej planety. Często jest to w odległości 20-25° od bieguna geomagnetycznego naszej planety (północnego albo południowego).

Zorza polarna tworzy się na skutek wpływania wiatru słonecznego na magnetosferę Ziemi ( pasy Van Allena). Występuje jako kolorowe (żółte, niebieskie, czerwone, zielone, białe, fioletowe) wstęgi, zasłony albo smugi falujące albo pulsujące na niebie.

Widmo Brockenu, zjawisko Brockenu, zjawisko świetlne (fotometeor) prawie nie pojawiające się w atmosferze ziemskiej. Tworzy się w górach, przy niskim ułożeniu Słońca nad horyzontem, wówczas gdy cień zwiedzającego będącego na szczycie powstaje się na chmurach warstwowych zalegających w dolinach (tzw. morze chmur, morze mgieł). Cień na ogół owinięty jest kolorową aureolą (wieńcem). Określenie tego zjawiska wywodzi się od wzniesienia Brocken w górach Harz ( Niemcy). Tam to zjawisko zauważono pierwszy raz.