Zjawiska optyczne - jak powstają i gdzie możemy je obserwować?

● Zjawiska optyczne występują w wyniku odbicia, załamania i rozproszenia światła przez cząstki stałe, kropelki cieczy i inne materie obecne w atmosferze. ● Zjawiska optyczne zachodzą w atmosferze, wiele z nich można obserwować na wszystkich szerokościach geograficznych. ● Najczęstsze zjawiska optyczne w przyrodzie to tęcza i halo, dużo rzadziej można obserwować miraż pustynny lub morski albo słup świetlny.

Zjawiska optyczne powstają na skutek oddziaływania światła z materią. Mogą zaistnieć dzięki rozproszeniu, odbiciu, załamaniu lub rozszczepieniu światła m.in. na kroplach wody i kryształkach lodu. Zjawiska optyczne powoduje także zakrzywienie drogi światła przy przejściu przez warstwy powietrza o różnej gęstości. Zjawiska optyczne obserwujemy naturalnie w przyrodzie, najczęściej są to tęcza i halo.

Najczęściej obserwowanym zjawiskiem jest odbicie światła. Do odbicia światła dochodzi, kiedy kierunek rozchodzenia się fali zmienia się na granicy dwóch ośrodków, odbijając się od jednego z nich. Mamy z nim do czynienia każdego dnia, patrząc w lustro lub obserwując odbicie w tafli szkła czy wody.

Kolejnym częstym zjawiskiem jest załamanie światła, zwane też refrakcją. O załamaniu światła mówimy, gdy promień świetlny przechodząc przez granicę ośrodków o różnych współczynnikach załamania, odchyla się. Można to zaobserwować np. zanurzając połowę ołówka w misce z wodą - będziemy mieć wtedy wrażenie, że jest on złamany przy styku wody i powietrza.

Często mamy też do czynienia z rozproszeniem światła. Ma ono miejsce, kiedy światło odbija się od powierzchni, która nie jest gładka, np. od kurzu, mgły. Promienie równoległe po zetknięciu się z taką powierzchnią rozszczepiają się (rozpraszają), biegnąc w różnych kierunkach.

Zjawiska optyczne w przyrodzie powstają wskutek przechodzenia światła przez atmosferę ziemską. Mamy wówczas do czynienia z następującymi zjawiskami optycznymi:

● tęcza jest zjawiskiem optycznym, które powstaje w wyniku rozszczepienia światła słonecznego w kropli wody. Tęcza ma kształt łuku, kiedy patrzymy na nią z Ziemi, ale w rzeczywistości jest okręgiem. Łuk tęczy składa się z siedmiu kolorów: czerwonego, pomarańczowego, żółtego, zielonego, niebieskiego, indygo i fioletowego.

● gloria - powstaje na niewielkich kroplach chmury i mgły, kiedy oświetlają je równoległe promienie słońca. W środku jest biała, ma średnicę kilku stopni, otaczają ją kolorowe pierścienie - czerwony (większy), niebieski (mniejszy). Czasami zdarza się, że gloria ma więcej pierścieni. Środek glorii wypada w cieniu patrzącej na to zjawisko osoby.

● halo - to zjawisko optyczne w atmosferze, które można zobaczyć wokół Słońca lub Księżyca jako jasny, świetlisty pierścień. Halo może być białe lub w kolorach tęczy - od czerwonego do fioletowego. Halo powstaje na skutek załamania światła na kryształach lodu  w chmurach pierzastych piętra wysokiego (cirrostratus) lub we mgle lodowej. Światło następnie odbija się wewnątrz kryształków lodu.

● zorza polarna - jest to zjawisko optyczne, które powstaje w wyniku zderzenia naenergetyzowanych cząstek gazu ze Słońca z górną warstwą atmosfery Ziemi. Zorze polarne można zaobserwować najczęściej w okolicach bieguna północnego i południowego. Mówi się, że wyglądają jak taniec niebieskich, zielonych, fioletowych, różowych, czerwonych, żółtych i białych świateł. 

Tęcza, halo, gloria i zorza polarna to nie jedyne zjawiska optyczne w przyrodzie. Inne zjawiska optyczne występujące w atmosferze to na przykład:

● łuk okołohoryzontalny - to zjawisko zaliczane jest do halo, ponieważ powstaje w kryształach lodu. Przypomina tęczę z czerwonym kolorem na szczycie i znajduje się blisko horyzontu. Nad łukiem okołohoryzontalnym znajduje się Słońce, z którym tworzy on kąt ok. 46 stopni. Widzimy tylko niewielki fragment tego zjawiska optycznego. W Polsce widoczny jest od połowy maja do początku sierpnia.

● wieniec (inaczej: aureola, lisia czapa) wygląda jak aureola wokół Słońca lub Księżyca. Widoczna poświata jest od zewnątrz czerwona, a wewnątrz niebieska. Wieniec powstaje, kiedy promień światła ugnie się w warstwie mgły albo cienkiej chmury przesłaniającej Słońce lub Księżyc.

● miraż ( inaczej: fatamorgana) - gdy światło załamuje się w warstwach powietrza o różnej gęstości (temperaturze), powstaje obraz znajdującego się w oddali przedmiotu. Gdy powierzchnia ziemi jest bardzo gorąca, znajdujące się blisko niej powietrze jest o wiele bardziej nagrzane niż to wyżej. W tej sytuacji dochodzi do silnego załamania promieni słonecznych w pobliżu powierzchni i powstaje złudzenie, że znajduje się tam woda albo budynek. Miraże dzielimy na dolne i górne. Miraż dolny (pustynny) widzimy pod horyzontem, np. nad piaskiem pustynnym lub rozgrzanym asfaltem - wygląda wtedy jak duża kałuża. Miraż górny (morski) powstaje, kiedy powietrze przy powierzchni gruntu jest chłodniejsze niż to w wyższych warstwach. Promienie światła załamują się wówczas wielokrotnie w kolejnych warstwach powietrza, zakrzywiając się ku dolnej gęstszej (chłodniejszej). Załamanie promieni powoduje powstanie odbicia zwierciadlanego. Widz obserwuje wtedy odbicia przedmiotów, które znajdują się poza kierunkiem patrzenia. 

● iryzacja (inaczej: tęczowanie, w biologii nazywane ubarwieniem strukturalnym) to tęczowe plamy ukazujące się np. na plamach benzyny, powierzchni macicy perłowej, minerałów oraz na bańkach z mydła. To zjawisko optyczne powstaje wskutek interferencji światła białego odbitego od przezroczystych lub półprzezroczystych materii, które składają się z wielu warstw substancji posiadających różne własności optyczne. 

● słońce poboczne (inaczej: parhelion, słońce pozorne) występuje, kiedy mamy złudzenie, że na niebie jest więcej niż jedno Słońce. Tak naprawdę są to jasne plamy światła ok. 22 stopni na lewo i prawo od właściwego Słońca. Znajdują się na tej samej wysokości co Słońce. To zjawisko optyczne powstaje, kiedy temperatury są niskie, a w atmosferze znajdują się kryształki lodu, w których odbija się słońce.

● widmo Brockenu (znane też jako zjawisko Brockenu lub mamidło górskie) - najczęściej obserwowane w górach. Można wtedy zobaczyć swój cień, czasem otoczony glorią, na znajdującej się niżej chmurze.

● słup świetlny wygląda jak kolumna światła łącząca niebo z Ziemią. Słupy świetlne pojawiają się, kiedy światło odbija się od kryształków lodu. Możemy obserwować słupy słonecznie, kiedy źródłem światła jest Słońce (najczęściej widoczne są przed wschodem lub tuż po zachodzie słońca), słupy księżycowe, gdy promienie świetlne pochodzą od Księżyca. Słup świetlny może być wywołany też przez latarnię uliczną.