Zjawiska optyczne w otaczającym nas świecie.

Przyroda, dzięki której powstały przepiękne góry świata, wyposażyła nas również w wiele innych wrażeń, które nie istotne w naszej szarej codzienności. Co oznacza tęcza, czy zachód słońca ponad budynkami, kto zachwyca się burzą gdy stoi w korku, albo ranną rosą na trawniku przed domem? Między innymi w górach jesteśmy w stanie spotęgować swoje odczucia zachwycając się nie tylko cudownymi krajobrazami, ale również wspaniałymi zjawiskami meteo na ich tle. W stałej łączności z chmurami obserwować można w atmosferze przeróżne zjawiska optyczne (fotometeory). Zjawiska te nie posiadają znaczenia praktycznego, ale są w stanie dostarczyć wielu informacji o cechach chmury. Wywoływane są one na skutek odbicia, załamania, interferencji czy ugięcia światła słonecznego albo księżycowego w chmurowych kroplach wody albo kryształach lodu. Pewna ich część powtarza się dosyć rdzo często, pozostała część jest dużą rzadkością oraz należy mieć ogromne szczęście, by je ujrzeć.

• Zjawisko Brockenu.

Zjawisko Brockenu jest zjawiskiem świetlnym bardzo rzadko pojawiającym się w atmosferze ziemskiej. Występuje w górach, w momencie gdy Słońce jest nisko nad horyzontem, wówczas gdy zwiększony do ponad naturalnej wielkości cień osoby obserwującej pojawia się na rozpostartych tuz przed nim, lub poniżej od niego chmurach warstwowych, zalegających w dolinach (są to tak zwane morza chmur, lub morza mgieł). Po prostu obiekt, który był umieszczony między Słońcem, oraz spełniającymi rolę ogromnego ekranu chmurami, pada cień który przenika głęboko w chmury. Cień na ogół otoczony jest kolorową aureolą. Jeśli w takim przedstawieniu udział bierze kilkanaście osób, wówczas każda z nich zaobserwuje tylko swoją aureolę. Określenie zjawiska wywodzi się od wzniesienia Brocken (1142 m) w górach Harz (Niemcy). Tam zauważono je pierwszy raz.

• Słup światła.

W chmurach piętra górnego składających się z kryształów lodowych, przede wszystkim w chmurach warstwowo-pierzastych, tworzą się zjawiska, nazywane zjawiskami halo.

Halo jest jednym z ciekawszych zjawisk świetlnych (optycznych) na niebie i powstaje na skutek załamania światła w chmurze zawierającej kryształki lodu. Występuje, jako barwny, biały lub w przeważającej części biały, świetlisty pierścień, w którego środku znajduje się tarcza Słońca lub Księżyca. Krąg ten ma zwykle słabo widoczne zabarwienie czerwone od wewnątrz i w rzadkich przypadkach fioletowe na zewnątrz. Część nieba wewnątrz kręgu jest wyraźnie ciemniejsza niż na zewnątrz. Pierścień o średnicy 22° (tzw. małe halo) powstaje przez załamanie na powierzchniach kryształków o kącie łamiącym 60° natomiast o średnicy 46° (rzadziej występujące tzw. duże halo), powstaje podczas załamania światła na krawędziach kryształków wzajemnie do siebie prostopadłych (kryształki lodu są graniastosłupami prostymi o podstawie sześciokątnej). Zjawisko halo występuje przy chmurach typu Cirrus.

• Wieniec.

Wieniec jest to wiele albo tylko jedna (trzy to jest maksimum) seria barw pierścieni o bardzo małym promieniu, otaczających bezpośrednio tarczę ciała niebieskiego (albo sztucznego źródła światła). We wszystkich seriach pierścień środkowy jest koloru fioletowego albo niebieskiego, natomiast pierścień zewnętrzny - koloru czerwonego; pomiędzy nimi mogą być inne kolory. Najbardziej wewnętrzna seria, posiadająca promień nie większy aniżeli 5 stopni i określana jest aureolą, wykazuje na ogół wyraźny pierścień zewnętrzny o czerwonym albo kasztanowym kolorze. Wieńce tworzą się na skutek ugięcia się światła w będących przed tarczą Słońca albo Księżyca cienkich chmurach, skonstruowanych z niewielkich, jednorodnych kropel wody, na ogół są to chmury średnie kłębiaste - Cirrocumulus, Altocumulus oraz Stratocumulus.

• Iryzacja.

Iryzacja, są to tęczowe kolory tworzące się niejednokrotnie na powierzchni prześwitujących ciał na skutek interferencji światła (oświetlenia światłem białym, przez co otrzymuje się wygaszenie niektórych, innym razem wzmocnienie innych kolorów). Zauważyć można także je, jako migające się, kolorowe plamy na wodzie. Układy kolorów na ogół zielonych oraz różowych, najczęściej o odcieniach pastelowych, zaobserwować można na chmurach. Kolory te są czasami wymieszane, innym razem natomiast są w formie smug prawie równoległych do brzegów chmur. Kolory iryzacji są najczęściej błyszczące oraz przypominają barwę masy perłowej. Zjawisko iryzacji chmur tak samo jak wieńce powstaje jak również występuje także przy chmurach kłębiastych Cirrocumulus, Altocumulus oraz Stratocumulus.

• Gloria.

Gloria tworzy się dzięki dyfrakcji światła (ugięcia fal) na kropelkach wody lub kryształach lodu. Jest zjawiskiem optycznym, które polega na występowaniu kolorowych pierścieni w około cienia osoby obserwującej, który powstaje na tle mgieł albo chmur, przy czym niebieski pierścień osiada małą średnicę niż czerwony. Gloria zbliżona jest do wieńca, ale tworzy się nie dookoła Słońca albo Księżyca, lecz dookoła punktu, który położony jest naprzeciwko tarczy ciała niebieskiego. Zjawisko to tworzy się na chmurach, ułożonych na przeciwko osoby obserwującej, lub poniżej jego, tj. w górach albo przy obserwacjach z samolotu. Na te chmury pada również cień osoby obserwującej, wtedy mamy wrażenie, iż gloria otacza cień jego głowy. Gloria tworzy się na skutek ugięcia się światła, najpierw odbitego od kropel chmur, tak iż wraca ono od chmur w takim samym kierunku, w którym na nie padło.
Uwaga. Jeżeli chmurka albo mgła za blisko osoby obserwującej, mamy wrażenie, że cień o wiele większy, określane jest to wtedy zjawiskiem Brockenu, nie ma różnicy czy jest otoczony, czy też nie jest otoczony kolorową glorią. Często spotyka się przy chmurach średnich Altocumulus oraz Altostratus.

• Błekit nieba.

Niebo, pozorne sklepienie otaczające obserwatora na które rzutują się położenia i ruchy ciał niebieskich. Dla obserwatora ziemskiego niebo w dzień ma barwę niebieską, co jest wynikiem selektywnego rozpraszania promieniowania słonecznego w atmosferze. Dla obserwatora znajdującego się poza atmosferą niebo jest zawsze czarne. Fakt ten doniosłe znaczenie kosmogeniczne i świadczy o tym, że Wszechświat nie jest wypełniony materią świecącą w sposób jednorodny.

•
Promieniowanie podczerwone i nadfioletowe.

Promieniowanie występujące w widmie światła białego poza czerwienią ,załamuje się w pryzmacie słabiej niż światło czerwone o większej długości fali, zostało nazwane promieniowaniem podczerwonym ,termicznym lub cieplnym. Widmo promieniowania podczerwonego ciał stałych jest widmem ciągłym (promieniowanie od ciała o wys. temp.)
Niewidzialne promieniowanie stanowiące przedłużenie widma poza skrajnymi promieniami fioletu zostało nazwane promieniowaniem nadfioletowym. Promieniowanie nadfioletowe jonizuje powietrze, wywołuje fluorescencję(świecenie niektórych ciał), działa chemicznie(zaczernia kliszę fotograficzną), wywołuje zjawisko fotoelektryczne, ma wpływ na opalanie się ciała ludzkiego.

• Zorza polarna.

Jest ona jednym z najpiękniejszych zjawisk optycznych zachodzących w przyrodzie. W większości przypadków zorze polarne mają odcień zielony lub niebieskozielony. Występują w postaci wstęg (intensywne) lub plam (mniej intensywne) podobnych do obłoków. Ziemię można nazwać olbrzymim magnesem. Linie pola magnetycznego Ziemi wychodzą z obszaru przylegającego do północnego bieguna, opasują kulę ziemską i wchodzą w obszarze południowego bieguna magnetycznego. Cząstka naładowana wpadając w pole magnetyczne Ziemi porusza się ruchem spiralnym wokół linii pola. Zorza polarna powstaje na zasadzie żarówki jarzeniowej. Tam wzbudzone atomy gazów oddają otrzymaną energię w postaci światła. Podczas zjawiska zorzy polarnej protony i elektrony wpadające w obręb pola magnetycznego Ziemi z wiatru słonecznego (spowodowanego wybuchami na Słońcu) powodują jonizację i wzbudzenie atomów i cząsteczek gazów znajdujących się w atmosferze. 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).Świecenie zielone i czerwone powodują wzbudzone atomy tlenu, podczerwone i fioletowe – zjonizowane cząsteczki azotu. Zorze pojawiają się zazwyczaj dzień lub dwa po wybuchach na Słońcu.

• Zaćmienie słońca i księżyca.

Zaćmienia Słońca, zwłaszcza całkowite, są jednymi z najciekawszych zjawisk jakie można obserwować na ziemskim niebie. Dochodzi do nich, gdy Księżyc poruszający się po orbicie wokół Ziemi znajdzie się pomiędzy Słońcem a Ziemią. W zależności od rozmiarów kątowych oraz wzajemnego położenia tarczy Słońca i Księżyca w momencie zaćmienia wyróżnia się zaćmienia częściowe, całkowite i obrączkowe. Zaćmienia Księżyca również są bardzo efektownymi zjawiskami astronomicznymi. Dochodzi do nich, gdy Ziemia znajdzie się pomiędzy Słońcem a Księżycem przesłaniając promienie słoneczne padające na Księżyc. W zależności od tego jaki fragment tarczy Księżyca znajdzie się w cieniu lub półcieniu Ziemi wyróżnia się zaćmienia częściowe, całkowite i półcieniowe. Zaćmienia Księżyca mogą być częściej obserwowane od zaćmień Słońca, ponieważ widać je z całej nocnej półkuli Ziemi. 31 maja 2003 roku było widoczne w Polsce zaćmienie Słońca. Tylko na północnym wschodzie kraju zaćmienie można było zobaczyć od początku do końca, natomiast prawie w całej Polsce nie widać zło początku zaćmienia, gdyż wystąpiło jeszcze w czasie, gdy Słońce znajdowało się pod horyzontem. Dało to szansę na obserwację wschodzącej częściowo zaćmionej tarczy Słońca gołym okiem, bez użycia jakichkolwiek filtrów. Maksymalna faza wystąpiła około godzinę po wschodzie Słońca i wyniosła 0,8. Zaćmienie zakończyło się około 2 godziny od momentu rozpoczęcia. W ostatnich latach miały również miejsce różne zaćmienia księżyca, np. 20 listopada 2002r.- zaćmienie półcieniowi widoczne w Polsce;
16 maja 2003r.-zaćmienie całkowite widoczne w Polsce
9 listopada 2003r.-zaćmienie całkowite w całości widoczne w Polsce.

Soczewki
- to bryły szkła ograniczone z dwóch stron powierzchniami o kształcie kulistym (wklęsłym albo wypukłym) lub płaskim. Soczewki można podzielić na kilka rodzajów ze względu na to jakie powierzchnie je ograniczające:
• Soczewka dwuwypukła
• Soczewka płasko - wypukła
• Soczewka wklęsło - wypukła
• Soczewka dwuwklęsła
• Soczewka płasko - wklęsła
• Soczewka wypukło - wklęsła

W przypadku gdy soczewka posiada jedną stronę wypukłą, a drugą płaską, wklęsłą, lub także wypukłą to mówimy wówczas, że taka soczewka ma dodatnią moc (jest dodatnia). Jeśli jednak jedna z jej powierzchni jest wklęsła, a druga płaska lub także wklęsła to mówimy, że taka soczewka ma moc ujemną (jest ujemna).

Aberacja chromatyczna - jest to wada wynikająca z faktu, że każda soczewka w przypadku promieni przechodzących daleko od jej osi głównej zachowuje się jak pryzmat - powoduje rozszczepienie światła białego na tęcze barw. Dlatego też powstaje nieostry obraz przedmiotu dodatkowo zaopatrzony w kolorową obwiednie. Wadę tą można stosunkowo łatwo usunąć poprzez zastosowanie układy składającego się z kilku soczewek.

Soczewka achromatyczna - jest to układ dwu lub więcej soczewek, który pozbawiony jest aberracji chromatycznej. Soczewki w takim układzie często wykonane są z różnych gatunków szkła.

Soczewka apochromatyczna - jest to najnowocześniejszy rodzaj soczewki, która pozbawiona jest aberracji chromatycznej. W jej przypadku wyeliminowano nie tylko wadę związaną z barwą czerwoną czy niebieską, ale także zieloną. Obecnie jest to soczewka dosyć droga i praktycznie nie spotykana na polskim rynku.

Aberracja sferyczna - jest to wada związana bezpośrednio z tym, że w zależności od tego jak daleko znajdują się promienie świetlne od głównej osi optycznej soczewki, to pod różnymi kątami będą one załamywane. Promienie świetlne, które przechodzą przez soczewkę w bliskiej odległości od głównej osi optycznej zbiegną się w bliższej odległości od soczewki, niż promienie dalej położone od głównej osi optycznej. W wyniku tej wady na ekranie nie uzyskujemy dokładnie punktowego obrazu przedmiotu w ognisku, ale pewną kolistą plamkę. Powstaje w ten sposób pewne rozmazanie obrazu. Aberacji sferycznej można się pozbyć stosując odpowiednio wyprofilowane soczewki, lub stosując w układzie optycznym układy kilku soczewkowe.

Ognisko - jest to punkt położony na głównej osi optycznej w którym zbiegają się wszystkie promienie świetlne przez nią przechodzące. Nazwa najprawdopodobniej wzięła się z tego, że użycie lupy może doprowadzić do powstania ognia. Odległość ogniska od środka soczewki jest określana mianem ogniskowej. W przypadku powierzchni wypukłej soczewki mówimy o ognisku rzeczywistym i ogniskowa jest wówczas dodatnia. W przypadku soczewki o powierzchni wklęsłej mamy do czynienia z ogniskiem pozornym i ujemną ogniskową.

Moc główna układu optycznego (moc łamiąca) - jest to wielkość określająca zdolność soczewki do załamania światła. Określa się ją jako D = 1/f, gdzie f to ogniskowa soczewki wyrażona w metrach. Jednostką mocy łamiącej jest 1 Dioptria.

Rozszczepienie światła

Rozszczepienie światła spowodowane jest różną prędkością rozchodzenia się promieni świetlnych o różnych barwach. Różna prędkość rozchodzenia się światła owocuje oczywiście różnym współczynnikiem załamania światła i różnym kątem załamania.
Ponieważ zaś światło białe jest mieszaniną świateł o wielu barwach, to przepuszczenie go przez pryzmat spowoduje rozdzielenie poszczególnych składowych na piękną tęczę.

Np. promienie czerwone rozchodzą się w szkle szybciej niż promienie fioletowe. Dlatego też promienie czerwone załamują się słabiej niż fioletowe. Załamanie i rozszczepienie światła występuje dla większości materiałów przezroczystych. Ono nadaje piękny poblask brylantom i kryształom, ono powoduje powstawanie tęczy (światło jest wtedy załamywane i rozszczepiane przez miniaturowe kropelki wody).
Rozszczepienie najłatwiej jest zaobserwować w pryzmacie (w porównaniu do tego samego efektu padającego na zwykłą granicę dwóch ośrodków), ponieważ załamuje on i rozszczepia światło dwukrotnie dzięki czemu barwne promienie są silniej rozbieżne niż w przypadku załamania jednokrotnego.

Tęcza
- zjawisko optyczne, łuk na niebie składający się z siedmiu kolorów spektrum ( widma optycznego) w postaci wstęg. Powstaje na skutek załamania się, odbicia i rozszczepienia promieni słonecznych w kroplach deszczu lub mgły. Zjawisko to zostało opisane przez Teodoryka z Fryburga w XIV wieku.
Jak wiemy światło rozchodzi się z różną prędkością w zależności od tego w jakim ośrodku się porusza. Najszybciej porusza się w próżni gdzie jego prędkość w przybliżeniu wynosi 300000 km/s. Jednakże prędkość światła przy przechodzeniu prze określony ośrodek zależy także o długości fali światła, czyli od jego częstotliwości, jest to tzw. zjawisko dyspersji światła. Światło białe jest światłem złożonym, składa się z wielu "promieni" różniących się od siebie długością fali, a co za tym idzie częstotliwością. Z inną prędkością będzie się poruszała składowa czerwona światła, a z inną składowa fioletowa. Tylko w próżni wszystkie składowe będą się poruszać z jednakowymi prędkościami. Wskutek tej różnicy prędkości, kąty załamania także będą różne dla poszczególnych składowych światła. Najprościej zaobserwować dyspersję światła, poprzez oświetlenie światłem białym pryzmatu. Jeśli ustawimy za pryzmatem ekran, zaobserwujemy powstanie na nim pięknej kolorowej tęczy. Powstała tęcza, wynika bezpośrednio z różnicy współczynników załamania dla poszczególnych barw składowych. Najmniejszy współczynnik załamania ma barwa czerwona, i dlatego też jej kąta załamania jest najmniejszy. Natomiast najbardziej odchyla się od początkowego kierunku padania barwa fioletowa, gdyż w wyniku dyspersji, współczynnik załamania dla tej barwy jest największy. W ten sposób światło białe ulega rozszczepieniu na jego poszczególne składowe. Pryzmaty są używane w ten sposób do analizy świateł złożonych, a także do wydzielania światła monochromatycznego - jedna barwa o określonej częstotliwości.

Zjawisko tęczy bywa niekiedy zjawiskiem dosyć niepożądanym. Tak jest w przypadku szyb zespolonych. Często ludzie skarżą się na nie uważając, iż są wadliwe. Jednak to że widoczne są na nich pewne barwne wzory to nie jest wina wady szkła, czy jakichkolwiek zanieczyszczeń. Ale tylko i wyłącznie światła, którego promienie przechodząc przez taką szybę, załamują się, odbijają i interferują ze sobą. W wyniku interferencji powstają prążki, których rozróżniamy dwa typy: prążki Newtona i prążki Brewstera. W szybach typu float, obserwuje się prążki Brewstera, ich powstawanie wynika, z tego, iż szyby takie są dosyć płaskie i mają bardzo małe wahania grubości. Kolorowe wzory, które powstają widoczne są tylko pod określonymi kątami patrzenia. W przypadku prążków Newtona, powstawanie wzorków jest spowodowane wadami zestawów szklanych, które powodują powstawanie kolorowych okrągłych wzorów w centrum szyby. Takie zestawy szklane powinny być wymienione.