Zjawiska optyczne w przyrodzie

Widmo Brockenu, Słup słoneczny, Iryzacja, Wieniec, Gloria, Tęcza, Halo, Fatamorgana, Miraż Dolni i Górny, Zorza Polarna oraz Zaćmienie

1.Widmo Brockenu, mamidło górskie, zjawisko Brockenu – rzadkie zjawisko optyczne spotykane w górach, polegające na zaobserwowaniu własnego cienia na chmurze znajdującej się poniżej obserwatora. Zdarza się, że cień obserwatora otoczony jest tęczową obwódką zwaną glorią. Zjawisko obserwowane jest najczęściej w wyższych górach w warunkach, gdy obserwator znajduje się na linii pomiędzy Słońcem a chmurą, która położona poniżej obserwatora odgrywa rolę ekranu. Zjawisko obserwowane w górach daje ponadto efekt pozornego powiększenia cienia obserwatora – projekcja naturalnej wielkości cienia obserwatora na tle oddalonych gór sprawia, iż wydaje się on powiększony. Zjawisko nazywane "widmem Brockenu" po raz pierwszy opisał Johann Esaias Silberschlag w 1780 r. Nazwa zjawiska pochodzi od szczytu Brocken w górach Harz, gdzie było ono obserwowane. Wśród taterników istnieje przesąd, mówiący, że człowiek, który zobaczył widmo Brockenu, umrze w górach. Wymyślił go w 1925 i spopularyzował Jan Alfred Szczepański[1]. Ujrzenie zjawiska po raz trzeci "odczynia urok", co więcej - szczęśliwiec może się czuć w górach bezpieczny po wsze czasy.
2.Słup słoneczny to zjawisko optyczne związane m.in. z odbiciem światła nisko położonego Słońca na płaszczyźnie uporządkowanych kryształów płatkowych. Jeśli powstanie to najłatwiej jest go zaobserwować tuż przed wschodem Słońca lub tuż po jego zachodzie. Przybiera wtedy formę świetlnej kolumny, na ogół zabarwionej czerwonawo, przemieszczającej się wraz z ruchem Słońca pod horyzontem. Gdy Słońce jest ponad horyzontem często mogą towarzyszyć mu także parhelia.
3.Iryzacja, tęczowanie, w biol. ubarwienie strukturalne (od gr. Iris = tęcza) – to zjawisko optyczne polegające na powstawaniu tęczowych barw w wyniku interferencji światła białego odbitego od przezroczystych lub półprzezroczystych ciał składających się z wielu warstw substancji o różnych własnościach optycznych. Występuje m.in. na powierzchni minerałów, macicy perłowej, plamach cieczy (np. benzyny), bańkach mydlanych a czasem w atmosferze – na chmurach. Bywa też wywoływane sztucznie i wykorzystywane przy produkcji ozdobnych iryzowanych wyrobów szklanych i ceramicznych. Nazwa pochodzi z mitologii greckiej od imienia bogini Iris – posłanki bogów, będącej personifikacją tęczy.
4.Wieniec to zjawisko zachodzi wówczas, gdy Słońce lub Księżyc są przesłonięte cienką, półprzeźroczystą warstwą chmury lub mgły, zwykle ma postać barwnej poświaty (aureoli) wokół tarczy Słońca lub Księżyca, niebieskiej od strony wewnętrznej, czerwonej na zewnątrz. Często poświata jest otoczona słabo zabarwionymi, koncentrycznymi kręgami o tym samym układzie barw, niekiedy pojawiają się tylko pierścienie, a poświata nie występuje. Wieńce powstają wskutek dyfrakcji światła w warstwie chmury lub mgły.
5.Gloria to zjawisko optyczne polegające na wystąpieniu barwnych pierścieni wokół cienia obserwatora widocznego na tle chmur lub mgły, przy czym niebieski pierścień ma mniejszą średnicę od czerwonego. Gloria powstaje na skutek dyfrakcji (ugięcia fal) i odbicia światła na kroplach wody. Jest podobna do wieńca, jednak powstaje nie dookoła Słońca lub Księżyca, lecz dookoła punktu położonego po stronie przeciwnej względem tarczy ciała niebieskiego. Zjawisko to występuje w 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. 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 to zjawisko optyczne i meteorologiczne występujące w postaci charakterystycznego wielobarwnego łuku, widocznego gdy Słońce oświetla krople wody w ziemskiej atmosferze. Tęcza powstaje w wyniku rozszczepienia światła załamującego się i odbijającego się wewnątrz kropli wody (np. deszczu) o kształcie zbliżonym do kulistego. Rozszczepienie światła jest wynikiem zjawiska dyspersji, powodującego różnice w kącie załamania światła o różnej długości fali przy przejściu z powietrza do wody i z wody do powietrza. Światło widzialne (z antropocentrycznego punktu widzenia) jest widzialną (postrzegalną wzrokiem) częścią widma promieniowania elektromagnetycznego i w zależności od długości fali postrzegane jest w różnych barwach. Kiedy światło słoneczne przenika przez kropelki deszczu, woda rozprasza światło białe ("mieszaninę" fal o różnych długościach), na składowe o różnych długościach fal (różnych barwach), i oko ludzkie postrzega łuk składający się z sześciu kolorów: czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski i fioletowy. To są właśnie kolory tęczy. Pomimo faktu, że w tęczy występuje niemal ciągłe widmo kolorów, tradycyjnie uznaje się, że kolorami tęczy są: czerwony (na zewnątrz łuku), pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski, indygo i fioletowy (wewnątrz łuku). Najczęściej obserwowana jest tęcza główna, lecz mogą pojawić się także tęcze wtórne i następne oraz kilka zjawisk optycznych towarzyszących tęczy opisanych poniżej. Tęcza pojawia się często w mitologii, religii, literaturze i sztuce. Tęczowa flaga stanowiła symbol masońskiego Zakonu Order of the Rainbow Girls (7 barw), a później również osób homoseksualnych (6 barw).
7.Halo (od greckiego hálos – tarcza słoneczna) – zjawisko optyczne zachodzące w atmosferze ziemskiej obserwowane wokół tarczy słonecznej lub księżycowej. Jest to świetlisty, biały lub zawierający kolory tęczy (wewnątrz czerwony, fioletowy na zewnątrz), pierścień widoczny wokół Słońca lub Księżyca. Część nieba wewnątrz kręgu jest tak samo ciemna jak na zewnątrz. Zjawisko wywołane jest załamaniem na kryształach lodu i odbiciem wewnątrz kryształów lodu znajdujących się w chmurach pierzastych piętra wysokiego (cirrostratus) lub we mgle lodowej. Najczęściej występuje tzw. małe halo o rozmiarze kątowym 22° powstające przez załamanie na powierzchniach kryształów o kącie łamiącym 60°. W atmosferze polarnej lub w przypadku atmosfer planetarnych możliwe są okręgi halo o innych promieniach, jeżeli kryształy lodu mają kształt inny niż sześciokątne kolumny lub płytki (np sześciany). Rzadziej widoczne bywa duże halo o rozmiarze kątowym 46° powstające podczas załamania światła na krawędziach kryształów wzajemnie do siebie prostopadłych (kryształy lodu mają budowę graniastosłupa prostego o podstawie sześciokątnej). Wielkość halo określa się na podstawie rozmiarów kątowych. [1]. W zależności od punktu obserwacji efekt halo tworzą różne, tego samego kształtu, kryształy w chmurze, oświetlone w ten sam sposób. Do zjawiska nie można się zbliżyć, bo zmiana punktu obserwacji powoduje oddalanie się obserwowanego obrazu. Zasięg widoczności halo określony jest przez rozmiar chmury. Halo jest często obserwowane w niewielkiej odległości kątowej od Słońca i podczas ich obserwacji należy chronić oczy przed bezpośrednio padającym światłem Słońca ze względu na ryzyko trwałego upośledzenia wzroku. Światło Słońca padające bezpośrednio przez dłuższy czas na elementy światłoczułe aparatu fotograficznego lub kamery może je uszkodzić, dlatego podczas fotografowania zjawiska trzeba tarczę słoneczną zasłaniać np. filiżanką albo kloszem latarni miejskiej.
8.Miraż, fatamorgana zjawisko powstania pozornego obrazu odległego przedmiotu w wyniku różnych współczynników załamania światła w warstwach powietrza o różnej temperaturze, a co za tym idzie, gęstości. Początkowo fatamorganą nazywano miraże pojawiające się w Cieśninie Mesyńskiej, gdzie są one najefektowniejsze. W Polsce pojawiają się na Pustyni Błędowskiej oraz na Wyżynie Śląskiej. Miraże dzielą się na 2 rodzaje – miraż dolny i górny.
9.Miraż dolny obserwuje się pod horyzontem. Decydującym czynnikiem warunkującym jego powstawanie jest dostatecznie silne nagrzanie dużej powierzchni podłoża (np. piasku na pustyni, asfaltowej szosy, ściany dużego budynku itp.). Promienie świetlne są wówczas zakrzywiane w górę, ku chłodniejszemu, a więc gęstszemu powietrzu. Sytuacja taka ma na przykład miejsce na obszarach pustynnych, gdzie pod wieczór piasek oddaje swe ciepło, ogrzewając warstwę powietrza tuż nad swoją powierzchnią, podczas gdy wyższa warstwa jest już chłodna. Zakrzywione promienie docierają do oka obserwatora pozornie z innego kierunku co wywołuje powstanie obrazu zwierciadlanego. Miraże dolne mogą być odwrócone lub proste. Podobnie powstaje miraż obserwowany na rozgrzanej drodze. Wygląda on jak kałuża wody, w której widzimy odbicie. Jest to efekt pozornych odbić dalekiego krajobrazu lub nieba.
10.Miraż górny to zjawisko załamania występujące wielokrotnie w kolejnych warstwach powietrza, powodujące że światło rozchodzi się po linii krzywej. Jeżeli obserwator znajdzie się w miejscu, gdzie dochodzi światło odbite od statku, to na przedłużeniu promieni wpadających do jego oka, zobaczy prosty obraz statku na tle nieba.
11.Zorza polarna (Aurora borealis, aurora australis) – zjawisko świetlne obserwowane na wysokich szerokościach geograficznych, występuje głównie za kołem podbiegunowym, chociaż w sprzyjających warunkach bywa widoczna nawet w okolicach 50. równoleżnika. Zdarza się, że zorze polarne obserwowane są nawet w krajach śródziemnomorskich.
12.Zaćmienie – zjawisko astronomiczne polegające na tym, że cień jednego ciała niebieskiego pada na powierzchnię drugiego. Możliwe jest ono, gdy w jednej linii znajdują się oba ciała oraz źródło światła, którym jest zazwyczaj gwiazda jako ciało świecące światłem własnym lub jakiś inny obiekt świecący światłem odbitym. W efekcie takiego położenia, obserwator znajdujący się na obiekcie bliższym źródłu światła może widzieć jak obiekt dalszy znika zanurzając się w jego cieniu. W przypadku Ziemi, taka sytuacja ma miejsce w przypadku zaćmienia Księżyca. Obserwator na obiekcie dalszym dostrzega zaś stopniowe zasłanianie i – w przypadku zaćmienia całkowitego – zupełne przysłonięcie obiektu będącego źródłem światła, a w jego miejscu pojawia się konturowy obraz ciała bliższego. Przykładem takiego zjawiska na Ziemi jest zaćmienie Słońca. Dokładny charakter zjawiska zależy od rozmiarów kątowych obserwowanych ciał, oraz od tego, czy posiadają one atmosferę czy nie. Na Ziemi niezwykłym zbiegiem okoliczności zarówno źródło światła (Słońce), jak i jedyny obiekt, który może – ze względu na niewielką odległość – brać udział w tego typu zjawisku (Księżyc), mają takie same rozmiary kątowe (około pół stopnia). Gdy obiekt przesłaniający źródło światła ma dużo mniejszy rozmiar kątowy, to mamy do czynienia z przejściem na tle tarczy (tranzytem). Z Ziemi sporadycznie można obserwować przejścia planet Merkurego i Wenus na tle tarczy Słońca. Szczególnym przypadkiem tranzytu jest obrączkowe zaćmienie Słońca, występujące gdy Księżyc podczas zaćmienia znajduje się blisko apogeum. W przypadku gdy obiekt przesłaniający ma dużo większy rozmiar kątowy, zjawisko nazywamy zakryciem, najczęściej obserwuje się zakrycia gwiazd przez Księżyc.