Optični pojavi v atmosferi

    Ali ni zanimivo, da lahko svetloba, ki prihaja k nam z leta in leta oddaljenih svetov, doživi najbolj dramatične spremembe prav v zadnjem drobcu sekunde? V naravi je toliko čudovitih pojavov, ki jih večina od nas nevede prezre in nikoli ne vidi. Zato bi vas rad opozoril na optične pojave v atmosferi, ki jih lahko opazujemo brez posebnih priprav. Nekateri so znani in pogosti, drugi spet redki in skrivnostni. Globlji vpogled v razumevanje optičnih pojavov bo morda opazovalcu še več zadovoljstva pri opazovanju le-teh.

    Mavrice

    V različnih kulturah naletimo v mitih in legendah na mavrico kot na simbolični lok, ki povezuje življenje na Zemlji z božjim onostranstvom. V vsej zgodovini je bila mavrica deležna tolikšne pozornosti in zanimanja kot le še redkokateri drugi pojav na nebu.

    Mavrico opazimo, ko skozi raztrgano deževno oblačje posije Sonce. Če se postavimo s hrbtom proti Soncu, se v dežju nasproti nam pojavi mavrični lok, ki ga vidimo pod kotom 42° glede na smer sence naše glave na tleh. To je notranja mavrica ali tudi mavrica prvega reda. Redkeje opazimo bolj šibko zunanjo mavrico (mavrica drugega reda), ki se boči še za 9° navzven. Nižje kot je Sonce, višje se pnejo loki v nebo. Če je Sonce višje kot 42° (ali 51°) nad obzorjem, se mavrica skrije za obzorje. Notranji rob mavrice prvega reda je vijoličen, zunanji rob pa rdeč. Pri mavrici drugega reda so barve obrnjene.

    Prvi, ki je zadovoljivo razložil mavrico, je bil Rene Descartes (1637). Domnevo, da se mavrica pojavi pri vpadu Sončevih žarkov na dežne kapljice, je bojda preveril s poskusom na okrogli stekleni buči, napolnjeni z vodo. Delu žarka je po dveh lomih in odboju znotraj kaplje sledil tudi računsko. Pri tem je Descartes menda odkril in prvič uporabil lomni zakon. (Odkritje lomnega zakona sicer raje pripisujejo njegovemu sodobniku Snellu, ki pa odkritja – 16 let prej – ni objavil).

    Kapljica
    Pot svetlobnega žarka skozi okroglo vodno kapljo. Posebej je označen Descartesov žarek, ki ima po prehodu skozi kapljo največji izstopni kot (fi = 42°). KOncentracija žarkov je največja ravno v bližini Descartesovega žarka – ta snopič žarkov povzroči mavrico.

    Sledimo snopu vzporednih žarkov, ki vpadajo na kapljo! Žarek, ki vpade na kapljo v sredino (po optični osi), se po odboju vrne po isti poti. Žarki, ki vstopijo v kapljo nad osjo, izstopijo iz kaplje pod določenim kotom pod osjo. Izstopni koti žarkov glede na optično os so tem večji, čim višje žarki vstopijo v kapljo. Toda ta težnja se nadaljuje le do žarka (recimo mu Descartesov žarek), za katerega je izstopni kot največji (42°). Žarki, ki vstopijo v kapljo nad Descartesovim žarkom, izstopijo iz kaplje pod manjšimi koti kot le-ta. Zatorej žarki, ki vstopijo v kapljo na obeh straneh blizu Descartesovega žarka, izstopijo iz kaplje približno pod istim kotom kot ta žarek. Descartes je tako pokazal, da se pojavi največja koncentracija žarkov, ki izhajajo iz kaplje, ravno pri izstopnih kotih okoli 42°. Ti žarki so odgovorni za nastanek mavrice. Vendar bi tako mavrico opazili le kot ozek bel (svetel) lok. Kje so barve? Tu se je zataknilo tudi Descartesu in šele Newton je kakih trideset let kasneje doumel, da je bela sončna svetloba sestavljena iz barvnega spektra in da se lomni količniki vode za posamezne barve rahlo razlikujejo. Zaradi različnega loma sestavin sončne svetlobe, se ta po prehodu v kapljici zato razkloni – lom je pri vijolični svetlobi nekoliko izrazitejši kot pri rdeči svetlobi.

    Pri pazljivem opazovanju mavrice opazimo, da je nebo znotraj notranje in navzven od zunanje mavrice nekoliko svetlejše, med njima pa vidimo temnejši pas. Kako si to razložimo? Poleg žarkov z največjim odklonom (42°), ki povzročijo mavrico, izhajajo iz kapljic tudi žarki pod manjšimi koti glede na optično os posamezne kaplje. Vsi ti “vrnjeni” žarki pridejo do našega očesa od kapljic, ki se nahajajo znotraj loka notranje mavrice. S podobnim sklepanjem ugotovimo, da k svetlejšemu nebu pripomorejo tudi kapljice navzven od loka zunanje mavrice (51°). Zato ti območji vidimo svetlejši. Barve znotraj mavričnega loka se prekrivajo – na intenzivnosti barve zato najbolj trpi notranji, vijolični lok, najbolj izrazit pa je zunanji, rdeč lok. Barve v mavrici se prelivajo zaradi zveznega spektra sončne svetlobe, razmazanost barv v mavrici poudarijo še Sončevi žarki, ki niso povsem vzporedni, saj Sončev disk vidimo pod zornim kotom 0,5°.

    Včasih lahko tik pod lokom notranje mavrice opazimo še enega ali več šibkih lokov. Pravimo jim interferenčne mavrice. Žarka, ki vstopita v kapljo ob strani Descartesovega žarka, lahko po izstopu iz kaplje vzporedno nadaljujeta pot proti našemu očesu. Zaradi različnih optičnih poti, ki jih opravita v kaplji, se pojavijo interferenčne oslabitve oziroma ojačitve, ki jih opazimo kot šibke svetle ali temne loke.

    arki
    Potek žarkov, ki po dveh lomih in enem ali dveh odbojih znotraj kapljic tvorita mavrico prvega in drugega reda (notranjo in zunanjo mavrico). Rdeča svetloba se lomi za malenkost manj kot modra, zato kaplice, ki pošiljajo proti opazovalcu rdečo svetlobo, ležijo rahlo nad lokom 42°, kaplice z modrimi žarki pa rahlo pod lokom. Pri zunanji mavrici (51°) je barvni razpored kapljic obrnjen.

    Mavrične barve so odvisne tudi od velikosti kapljic. Čiste in izrazite barve opazimo na velikih kapljah s premerom enega do dveh milimetrov. Pri premerih okoli 0,5 milimetra je rdeča barva že precej oslabljena, pri kapljicah velikosti okoli 0,1 milimeter mavrica zbledi in komaj opazimo le še kak vijolični odtenek. Na kapljicah megle ali oblakov, katerih tipična velikost je okoli 0,01 milimeter, opazimo belo mavrico. Kapljice so namreč že tako majhne, da pride do izraza uklon svetlobe. Žarki posameznih barv, ki izhajajo iz kapljice, se zaradi uklona pahljačasto razširijo. Uklon je za rdečo svetlobo bolj izrazit kot za vijolično, zato na majhnih kapljicah rdečica izginja in prevladuje modrikast odtenek. V skrajnem primeru, ko so kapljice velike kako stotinko milimetra, se močno uklanja tudi svetloba kratkovalovnega dela spektra – barve se prekrijejo in rezultat tega je bel lok.

    Sončev steber
    Sončev steber, posnet s Krvavca. (foto Igor Grom)

    Vse, kar smo povedali o mavrici, velja za lepo okrogle kapljice. Padajoče dežne kaplje, predvsem tiste večje, niso povsem okrogle, temveč so rahlo sploščene – kot če se usedemo na žogo. (Stereotipno risanje dežnih kapelj v obliki podolgovatih solzic z repkom je zgrešeno). Take sploščene kaplje k tvorbi mavrice ne prispevajo kaj prida žarkov, razen v primeru, če žarki v kaplji potujejo po ravnini krožnega preseka kaplje. Zaradi tega so običajno mavrice, predvsem pri nizkem Soncu, izrazitejše ob vznožjih lokov, kjer se skupaj trudijo tako majhne okrogle kaplje kot večje sploščene kaplje. Na vrhu loka večje kaplje odpovedo sodelovanje.

    Oblika kristalov
    V atmosferi je največ ledenih kristalčkov v obliki heksagonalnih prizem: A – v obliki stebričkov in B – v obliki ploščic.

    Tudi ob Luninem svitu se kdaj pa kdaj pojavi možnost za nastanek mavrice. Vendar je ta vidna le kot bel lok. Zaradi majhnega svetlobnega toka človeško oko (čepki) ne zazna več barv. Pri fotografiranju z daljšo časovno ekspozicijo pa se na filmu pokažejo barve.

    Ledeni pojavi
    Nekateri pogostejši pojavi na nebu, ki jih povzročijo drobni ledeni kristalčki v atmosferi. Nekatere izmed njih vidimo tudi ob luninem svitu: 22-stopinjski halo, “lunin steber” in “soluni”.

    Mavrice višjih redov, ki nastanejo po treh, štirih… notranjih odbojih, so zelo šibke, pa še opazovati bi jih morali v smeri proti Soncu, tako da jih v naravi še niso opazili. Poskus v laboratoriju pa je uspešen.

    Halo

    Haloji – barvni obroči okoli Sonca ali Lune, so najznačilnejši od množice pojavov, katerih vzrok je lom svetlobe na ledenih kristalčkih. Pojave opazimo na prosojnih visokih oblakih, ki zastirajo Sonce ali Luno. V takih oblakih prevladujejo kristali v obliki heksagonalnih prizem. Ločimo podolgovate kristale – stebričke, podobne neošiljenim kratkim lesenim svinčnikom, in heksagonalne ploščice, kot da bi svinčnike razrezali na rezine. Velikost kristalčkov je od nekaj stotink do nekaj desetink milimetra. Mali halo je obroč s polmerom 22° okoli Sonca ali Lune. Notranji del se začenja z ostrejšim rdečim robom, zunanji del obroča je modrikast in neoster. Od vseh halojev je 22-stopinjski najizrazitejši. Nastane pri prehodu svetlobe skozi stranske ploskve poljubno orientiranih ploščic in stebričkov, ki lebdijo ali padajo v zraku. Prehod žarkov skozi kristalčke je v bistvu enak prehodu žarka skozi ledeno prizmo z lomečim kotom 60°. Najmanjši odklonski kot (fi = 22°) doživi žarek pri simetričnem prehodu skozi prizmo. Če kristal zavrtimo za nekaj stopinj v eno ali drugo smer glede na smer žarka z najmanjšim odklonskim kotom, se smer žarka, ki izstopi iz prizme, spremeni zelo malo. Ko torej svetloba vpada na kristalčke, ki so sicer poljubno orientirani, je po izstopu največja koncentracija žarkov z odklonskim kotom blizu 22°. Če hočemo uzreti te žarke, moramo tako pogledati za kot 22° vstran od Sonca – halo vidimo kot krog z radijem 22°. Vidimo tudi nekaj barv – modra svetloba se pri prehodu skozi kristalček odkloni za kanček bolj kot rdeča.

    Halo
    Osrednji pojav na sliki je 22-stopinjski halo okoli Sonca. Na sečišču haloja z obsončnim obročem vidimo sosonci. Haloja se dotika zgornji tangencialni lok. Na vrhu vidimo še cirkumzenitalni lok.

    Za 22-stopinjski halo je na nebu potrebna navzočnost ledenih kristalčkov z vsemi možnimi orientacijami, tako da so na vsakem delu haloja kristalčki s tako orientacijo, da lomijo svetlobo do našega očesa. Vendar ploščice rajši padajo v legi, kjer sta osnovni ploskvi skoraj vodoravni – podobno vidimo padati listje. Ko je turbulenca v ozračju dovolj šibka, dober del ploščic pada ali lebdi na opisani način. Zato 22-stopinjski halo ni povsod enako izrazit. Pri nizkem Soncu namreč “pravilno” lomijo svetlobo le tiste ploščice, ki se nahajajo ob straneh haloja, ne pa tudi ploščice z vrha ali spodnjega dela obroča. Ta pojav opazimo v obliki svetlih lis na obroču haloja. Lisi sta lahko primerljivi s podobo Sonca – rekli bi jima lahko stranski Sonci, strokoven naziv zanju pa je sosonci. Lisi lahko opazimo tudi ob svitu svetle Lune.

    Tudi stebričasti heksagonalni kristalčki težijo pri padanju v mirnem ozračju k čisto določeni orientaciji – z vzdolžno osjo v vodoravni smeri. (Če vas to preseneča, vrzite v zrak drobno travno bilko in opazujte, kako pada). Takšna orientacija stebričkov povzroči koncetracijo svetlobe na zgornjem (spodnjem) delu obroča haloja. Pojav vidimo v obliki loka, ki se dotika haloja. Pravimo mu zgornji (spodnji) tangencialni lok k 22-stopinjskemu haloju. Oblika tega loka pa je zelo odvisna od višine Sonca nad obzorjem.

    Led
    Povečani ledeni kristalčki.

    Lahko se vprašamo, kako so včasih vidni vsi trije pojavi hkrati (halo, sosonci, tangencialni loki), če vsak pojav posebej nastane pri povsem določeni orientaciji kristalčkov. Upoštevati moramo namreč turbulenco v zraku, ki onemogoča povsem enolično orientacijo kristalčkov, poleg tega tudi vsi kristalčki niso tipični stebrički ali ploščice – nekateri so nekje vmes, približno enako dolgi kot debeli. Taki kristalčki so orientirani povsem naključno.

    Lega pločic
    Lega ploščic pri nastanku Sončevega stebra. Običajno opazimo steber pri nizkem Soncu. Vrh stebra se dviga največ kakih 20° nad obzorje.

    Za 22-stopinjski halo, sosonci in tangencialne loke je značilen prehod žarkov skozi stranske ploskve kristalčkov, ki tvorijo ploskve prizme z lomečim kotom 60°. Ti isti kristalčki pa lahko lomijo svetlobo tudi kot prizme z lomečim kotom 90°. V tem primeru žarki lahko prehajajo skozi eno od stranskih ploskev in osnovno ploskvijo kristalčka. Pri teh prehodih nastane veliki halo s polmerom 46°, razložimo pa ga podobno kot mali halo. Tangentnim lokom pri prehodu svetlobe skozi 60-stopinjsko prizmo bi pri 90-stopinjski prizmi ustrezal cirkumzenitalni lok, sosoncema pa bi postavili nasproti spodnja stranska loka.

    Prehod arka
    Dva različna prehoda žarka skozi heksagonalno prizmo, kjer je A lomeči kot 60° in B lomeči kot 90°.

    Pojavi, povezani s 46-stopinjskim halojem, so znatno manj izraziti kot pojavi ob 22-stopinjskem haloju. Razlog je v tem, da osnovne ploskvice kristalčkov, ki omogočajo tvorbo 90-stopinjske prizme, niso vedno idealno gladke. Veliki halo je tudi redkokdaj viden v celoti, saj za svojo predstavo zahteva zorni kot 92°, kar pa je že skoraj pol nebesnega svoda in le redko naletimo na oblačno kopreno, ki bi omogočala vidnost celega obroča z dodatki vred.

    Prehod prizme
    Prehod žarka skozi prizmo lomečim kotom 60°. Najmanjši odklonski kot (fi=22°) doživi žarek pšri simetričnem prehodu skozi prizmo.

    Mali halo
    Mali halo opazimo kot obroč, odklonjen za kot 22° od smeri Sonca ali Lune.

    Obstaja še nekaj halojev, ki pa so silno redki, naprimer 9-stopinjski halo, opazili so celo eliptične oblike halojev. Poznamo še nekaj vrst lokov, ki nastanejo s kombinacijo loma in z zrcaljenjem svetlobe na ploskvah znotraj kristalčka. Sicer pa prej opisani haloji in spremljajoče oblike na nebu niso redki gostje. Ob vsakodnevnem oziranju v nebo, zlasti pozimi, je vsaj nekaj dni v letu takih, da katerega od omenjenih pojavov opazimo. Pogostnost pojavljanja halojev je večja kot za mavrice.

    Obsončni obroč
    Žarki, ki se odbijejo od navpičnih ploskvic ledenih kristalčkov, povzročijo obsončni obroč.

    Omenimo še dva pojava, ki nastaneta z odbojem svetlobe na ledenih kristalčkih. Poleg loma se svetloba na ploskvah ledenih kristalčkov tudi odbije. Sončev steber opazimo kot svetel steber v navpičnici skozi Sonce. Svetloba se odbija od osnovnih ploskvic ploščkov, ki padajo približno vodoravno orientirani. Pojav opazimo pozimi ob nizkem Soncu (lahko tudi Luni). Obsončni obroč nastane zaradi odboja svetlobe od ploskvic kristalčkov, ki so v taki legi, da se obnašajo kot pokončna zrcalca. Pojav vidimo kot svetel obroč s središčem na osi skozi zenit. Obroč ima konstantno višino nad obzorjem – tolikšno kot Sonce.

    Igor Mezgec, ponatis članka iz revije Spika  (junij 1994)

    Deli