6. luokka opiskelee koulussa aihetta "Optiset ilmiöt ilmapiirissä". Se ei kuitenkaan kiinnosta vain lapsen uteliasta mieltä. Optiset ilmiöt ilmakehässä yhdistävät toisa alta sateenkaaren, taivaan värin muutoksen auringonnousun ja -laskun aikana, joita jokainen näkee useammin kuin kerran. Toisa alta niihin kuuluu salaperäisiä mirageja, vääriä kuuta ja aurinkoa, vaikuttavia haloja, jotka ennen kauhistuttivat ihmisiä. Joidenkin muodostumismekanismi on tänä päivänäkin loppuun asti epäselvä, mutta yleisperiaate, jonka mukaan optiset ilmiöt "elävät" luonnossa, on nykyfysiikassa hyvin tutkittu.
Ilman kuori
Maan ilmakehä on kuori, joka koostuu kaasuseoksesta ja ulottuu noin 100 km merenpinnan yläpuolelle. Ilmakerroksen tiheys muuttuu etäisyyden mukaan maasta: sen suurin arvo on planeetan pinnalla, se pienenee korkeuden myötä. Ilmakehää ei voida kutsua staattiseksi muodostelmaksi. Kaasumaisen vaipan kerroksetliikkuvat ja sekoittuvat jatkuvasti. Niiden ominaisuudet muuttuvat: lämpötila, tiheys, liikenopeus, läpinäkyvyys. Kaikki nämä vivahteet vaikuttavat auringonsäteisiin, jotka ryntäävät planeetan pintaan.
Optinen järjestelmä
Ilmakehässä tapahtuvat prosessit sekä sen koostumus vaikuttavat valonsäteiden imeytymiseen, taittumiseen ja heijastumiseen. Jotkut niistä saavuttavat kohteen - maan pinnan, toinen hajallaan tai ohjataan takaisin ulkoavaruuteen. Valon kaarevuuden ja heijastuksen, osan säteiden hajoamisen spektriksi ja niin edelleen seurauksena ilmakehään muodostuu erilaisia optisia ilmiöitä.
Ilmakehäoptiikka
Kun tiede oli lapsenkengissään, ihmiset selittivät optisia ilmiöitä universumin rakennetta koskevien vallitsevien käsitysten perusteella. Sateenkaari yhdisti ihmisten maailman jumalalliseen, kahden väärän auringon ilmestyminen taivaalle todisti lähestyvistä katastrofeista. Nykyään useimmat kaukaisia esi-isiämme pelästyneistä ilmiöistä ovat saaneet tieteellisen selityksen. Ilmakehän optiikka tutkii tällaisia ilmiöitä. Tämä tiede kuvaa ilmakehän optisia ilmiöitä fysiikan lakien pohj alta. Hän osaa selittää, miksi taivas on sininen päivällä, mutta muuttaa väriä auringonlaskun ja aamunkoiton aikana, miten sateenkaari muodostuu ja mistä mirages tulee. Lukuisat tutkimukset ja kokeet antavat mahdollisuuden ymmärtää luonnossa sellaisia optisia ilmiöitä, kuten valoristien ilmaantuminen, Fata Morgana, sateenkaaren halot.
Sininen taivas
Taivaan väriniin tuttua, että harvoin ajattelemme, miksi se on niin. Siitä huolimatta fyysikot tietävät vastauksen hyvin. Newton osoitti, että tietyissä olosuhteissa valonsäde voidaan hajottaa spektriksi. Ilmakehän läpi kulkiessaan sinistä väriä vastaava osa hajoaa paremmin. Näkyvän säteilyn punaiselle osalle on ominaista pidempi aallonpituus ja se on 16 kertaa heikompi kuin violetti sirontaasteen suhteen.
Samaan aikaan me näemme taivaan ei violetin vaan sinisen. Syynä tähän on verkkokalvon rakenteen erityispiirteet ja spektrin osien suhde auringonvalossa. Silmämme ovat herkempiä siniselle, ja auringon spektrin violetti osa on vähemmän voimakas kuin sininen.
Scarlet auringonlasku
Kun ihmiset ymmärsivät, mikä ilmapiiri on, optiset ilmiöt eivät enää olleet heille todisteita tai merkki kauheista tapahtumista. Tieteellinen lähestymistapa ei kuitenkaan häiritse esteettistä nautintoa värikkäistä auringonlaskuista ja lempeistä auringonnousuista. Kirkkaat punaiset ja oranssit sekä pinkit ja siniset väistyvät vähitellen yöpimeydelle tai aamuvalolle. On mahdotonta havaita kahta identtistä auringonnousua tai -laskua. Ja syy tähän on samassa ilmakehän kerrosten liikkuvuudessa ja muuttuvissa sääolosuhteissa.
Auringonlaskujen ja -nousujen aikana auringonsäteet kulkevat pidemmän matkan pintaan kuin päivällä. Tämän seurauksena hajanainen violetti, sininen ja vihreä menevät sivuille, ja suora valo muuttuu punaiseksi ja oranssiksi. Pilvet, pöly tai jäähiukkaset lisäävät kuvan auringonlaskua ja aamunkoittoa,roikkuu ilmassa. Valo taittuu kulkiessaan niiden läpi ja värjää taivaan useilla eri sävyillä. Aurinkoa vastapäätä olevalla horisontilla voi usein havaita niin sanotun Venuksen vyöhykkeen - vaaleanpunaisen nauhan, joka erottaa tumman yötaivaan ja sinisen päivätaivaan. Roomalaisen rakkauden jumalattaren mukaan nimetty kaunis optinen ilmiö on näkyvissä ennen aamunkoittoa ja auringonlaskun jälkeen.
Rainbow Bridge
Ehkä mikään muu ilmakehän valoilmiö ei herätä niin monia mytologisia juonia ja satukuvia kuin sateenkaareen liittyvät. Seitsemästä väristä koostuva kaari tai ympyrä on kaikkien tiedossa lapsuudesta lähtien. Kaunis ilmakehän ilmiö, joka esiintyy sateen aikana, kun auringonsäteet kulkevat pisaroiden läpi, kiehtoo jopa sen luontoa perusteellisesti tutkineita.
Eikä sateenkaaren fysiikka nykyään ole salaisuus kenellekään. Sade- tai sumupisaroiden taittama auringonvalo halkeaa. Tämän seurauksena tarkkailija näkee spektrin seitsemän väriä punaisesta violettiin. Niiden välisiä rajoja on mahdotonta määritellä. Värit sulautuvat sulavasti toisiinsa useiden sävyjen kautta.
Sateenkaaria havainnoitaessa aurinko on aina ihmisen takana. Iridan hymyn keskus (kuten muinaiset kreikkalaiset kutsuivat sateenkaari) sijaitsee linjalla, joka kulkee tarkkailijan ja päivänvalon läpi. Sateenkaari näkyy yleensä puoliympyrässä. Sen koko ja muoto riippuvat Auringon sijainnista ja pisteestä, jossa tarkkailija sijaitsee. Mitä korkeammalle valaisin on horisontin yläpuolella, sitä alemmas mahdollisen esiintymisen ympyrä putoaa.sateenkaaret. Kun Aurinko kulkee 42º horisontin yläpuolella, maan pinnalla oleva havainnoija ei näe sateenkaarta. Mitä korkeammalla merenpinnan yläpuolella on henkilö, joka haluaa ihailla Iridan hymyä, sitä todennäköisemmin hän ei näe kaaria, vaan ympyrän.
Kaksois, kapea ja leveä sateenkaari
Usein pääosan ohella näet niin sanotun toissijaisen sateenkaaren. Jos ensimmäinen muodostuu yhden valon heijastuksen tuloksena, niin toinen on tulosta kaksoisheijastuksesta. Lisäksi pääsateenkaari erottuu tietyllä värijärjestyksellä: punainen sijaitsee ulkopuolella ja violetti on sisäpuolella, joka on lähempänä maan pintaa. Sivu "silta" on spektri käänteinen järjestyksessä: violetti on ylhäällä. Tämä tapahtuu, koska sadepisaran säteet heijastuvat kaksoisheijastuksesta eri kulmista.
Sateenkaarien värin voimakkuus ja leveys vaihtelevat. Kirkkaimmat ja melko kapeat ilmestyvät kesän ukkosmyrskyn jälkeen. Tällaiselle sateelle ominaiset suuret pisarat synnyttävät hyvin näkyvän sateenkaaren, jossa on selkeät värit. Pienet pisarat antavat epäselvemmän ja vähemmän havaittavan sateenkaaren.
Optiset ilmiöt ilmakehässä: aurora borealis
Yksi kauneimmista ilmakehän optisista ilmiöistä on aurora. Se on ominaista kaikille planeetoille, joilla on magnetosfääri. Maapallolla revontulia havaitaan korkeilla leveysasteilla molemmilla pallonpuoliskoilla, ympäröivillä vyöhykkeilläplaneetan magneettinavat. Useimmiten voit nähdä vihertävän tai sinivihreän hehkun, jota joskus täydentää punaisen ja vaaleanpunaisen välähdys reunoilla. Voimakas aurora borealis on muotoiltu nauhoiksi tai kankaan laskoksiksi, jotka muuttuvat täpliksi haalistuessaan. Useita satoja kilometrejä korkeat raidat erottuvat hyvin alareunasta tummaa taivasta vasten. Auroran yläraja on kadonnut taivaalle.
Nämä kauniit ilmakehän optiset ilmiöt pitävät edelleen salaisuutensa ihmisiltä: tietyntyyppisten luminesenssin esiintymismekanismia, joka aiheuttaa rätilyn terävien välähdysten aikana, ei ole täysin tutkittu. Yleiskuva revontulien muodostumisesta tunnetaan kuitenkin nykyään. Taivas pohjois- ja etelänavan yläpuolella on koristeltu vihertävän vaaleanpunaisella hehkulla, kun aurinkotuulen varautuneet hiukkaset törmäävät atomien kanssa Maan yläilmakehässä. Jälkimmäiset saavat vuorovaikutuksen seurauksena lisäenergiaa ja säteilevät sitä valon muodossa.
Halo
Aurinko ja kuu näkyvät usein edessämme sädekehää muistuttavan hehkun ympäröimänä. Tämä halo on hyvin näkyvä rengas valonlähteen ympärillä. Ilmakehässä se muodostuu useimmiten pienistä jäähiukkasista, jotka muodostavat cirruspilviä korkealla Maan yläpuolella. Kiteiden muodosta ja koosta riippuen ilmiön ominaisuudet muuttuvat. Usein sädekehä saa sateenkaariympyrän muodon valonsäteen hajoamisen seurauksena spektriksi.
Mielenkiintoista ilmiötä kutsutaan parhelioniksi. Seurauksena valon taittumisesta jääkiteissä päälleAuringon tasolla muodostuu kaksi kirkasta pistettä, jotka muistuttavat päivänvaloa. Historiallisista kronikoista löytyy kuvauksia tästä ilmiöstä. Aiemmin sitä pidettiin usein kauheiden tapahtumien ennustajana.
Mirage
Miraasit ovat myös optisia ilmiöitä ilmakehässä. Ne syntyvät valon taittumisen seurauksena tiheydeltään merkittävästi eroavien ilmakerrosten välisellä rajalla. Kirjallisuudessa kuvataan monia tapauksia, joissa erämaassa matkustava näki keitaita tai jopa kaupunkeja ja linnoja, jotka eivät voineet olla lähellä. Useimmiten nämä ovat "alempia" mirageja. Ne nousevat tasaiselle pinnalle (aavikko, asf altti) ja edustavat heijastuvaa kuvaa taivaasta, joka näyttää havainnoijan mielestä vesistöltä.
Nin sanotut ylivertaiset miraget ovat harvinaisempia. Ne muodostuvat kylmille pinnoille. Ylivertaiset miraasit ovat suoria ja käänteisiä, joskus ne yhdistävät molemmat asennot. Näiden optisten ilmiöiden tunnetuin edustaja on Fata Morgana. Tämä on monimutkainen mirage, joka yhdistää useita erilaisia heijastuksia kerralla. Tosielämän esineet ilmestyvät tarkkailijan eteen toistuvasti heijastuneena ja sekoitettuna.
Ilmakehän sähköä
Ilmakehän sähköiset ja optiset ilmiöt mainitaan usein yhdessä, vaikka niiden esiintymisen syyt ovatkin erilaisia. Pilvien polarisoituminen ja salaman muodostuminen liittyvät troposfäärissä ja ionosfäärissä tapahtuviin prosesseihin. Suuria kipinäpurkauksia muodostuu yleensä ukkosmyrskyn aikana. Salama tapahtuu pilvien sisällä ja voi osua maahan. Ne ovat hengenvaarallisiaihmisiä, ja tämä on yksi syy tieteelliseen kiinnostukseen tällaisia ilmiöitä kohtaan. Jotkut salaman ominaisuudet ovat edelleen mysteeri tutkijoille. Nykyään pallosalaman syytä ei tunneta. Kuten joidenkin revontulien ja mirage-teorian näkökohtien kohdalla, sähköilmiöt kiehtovat edelleen tutkijoita.
Artikkelissa lyhyesti kuvatut ilmakehän optiset ilmiöt ovat päivä päivältä yhä ymmärrettävämpiä fyysikoille. Samaan aikaan he, kuten salama, eivät lakkaa hämmästyttämästä ihmisiä kauneudellaan, salaperäisyydellään ja joskus mahtipontisuudellaan.
