Fenomene Optice din AtmosferDe Matei Maria-Mihaela

1. ATMOSFERA TERESTR. 1.1 Atmosfera terestr Atmosfer, cuvnt compus de origine greac (athmos = aer i spherein = sfer, nveli), desemnnd nveliul de aer al Pmntului. Atmosfera planetei noastre este practic 100 % gazoas, coninnd ns i urme de substane solide, prezente n stare fin divizat.

1.2 Alcatuirea atmosferei Atmosfera de astzi a Pmntului, conine azot (sau nitrogen) bimolecular N2 n proporie de aproape 4/5 (78,2 %), oxigen bimolecular O2 - (20,5 %), argon, Ar -(0,92 %), bioxid de carbon, CO2 - (0,03 %), ozon i alte gaze, praf, fum, alte particule n suspensie, etc. Aceste gaze au un rol fundamental n realizarea efectului de ser (dioxidul de carbon) i infiltrarea radiaiilor ultraviolete (ozonul).

1.3 Structura atmosferei Atmosfera are o structur stratificat dup densitate, dup compoziia chimic, dup temperatur (fig. 1). Straturile atmosferice nu au o form ct de ct sferic, ci sunt puternic deformate de nclzirea neuniform a atmosferei, de vntul solar, de maree. Partea superioar a fiecrui strat se termin cu o zon de pauz.

Troposfera este primul nveli atmosferic, aflat la suprafaa Pmntului. Grosimea stratului de aer este de aprox. 7 km n zona polar i 17-18 km la tropice; n cadrul su se desfoar cea mai mare parte a interaciunilor cu celelalte nveliuri terestre (ap, relief, sol, vieuitoare), precum i totalitatea activitilor omului; concentreaz peste 80% din masa atmosferei, dar i cea mai mare parte a vaporilor de ap i pulberilor atmosferice. n troposfer temperatura scade cu un gradient de circa 6,40 C (la fiecare km), pn la o altitudine la care tulburena n atmosfer se reduce mult, n cadrul unui strat de tranziie numit tropopauz. Stratosfera se extinde de la nivelul tropopauzei pn la circa 50 km nalime. Pn la o altitudine de 20 - 25 km temperaturile se menin la -50 -550 C, de unde ncep s creasc, ajungnd spre limita superioar a stratosferei, numit stratopauz, chiar la valori pozitive de pn la 200 C. Aceast nclzire se explic prin aciunea unei pri din radiaia ultraviolet asupra moleculelor de O2 , pe care le desface n atomi. Acetia se unesc cu alte molecule de O2, reacii nsoite de degajare de cldur; stratul de ozon are un rol important n protejarea vieii pe Terra, ntruct reine o parte din radiaiile ultraviolete (UV) nocive vieii. Mezosfera este cuprins ntre 50 si 80 km i este caracterizat printr-un aer extrem de rarefiat i prin scderea rapid a temperaturii, care atinge -900 C spre limita superioar, numit mezopauz. Termosfera este invelisul exterior, care se extinde fig.1 Stratificarea pan la aprox. 650-700 km, i este caracterizat atmosferei printr-o rarefiere extrem a aerului. Moleculele rare de gaze sunt disociate n atomi de radiaiile ultraviolete i ca urmare temperaturile cresc, ajungnd la 10000 C spre partea superioar. Exosfera ntre 600-1000 km pn la cca. 100.000 km cu o trecere la spaiul intraplanetar.

1.4 Modul de comportare din punct de vedere optic O serie de fenomene care se petrec n oceanul aerian, ca urmare a strbaterii acestuia de ctre razele Soarelui sau de lumina Lunii, pot fi denumite pe bun dreptate Trucaje ale atmosferei. Datorit nclzirii inegale a straturilor care compun atmosfera, acestea prezint densiti diferite pe vertical, dar la aceasta se mai adaug i prezena particulelor de ap, ghea fum, praf.etc. Razele Soarelui, care strbat n astfel de condiii atmosfera, vor da natere unor efecte luminoase, ca urmare a reflexiei, refraciei, difraciei i difuziei luminii.

2. MIRAJUL Miraj este un cuvnt de origine francez nseamnnd reflexie (fig. 2, vezi Anex). Reflexia total a luminii n timpul mirajului are loc din cauza neuniformitii atmosferei, neuniformitate cauzat de nclzirea neregulat a straturilor de aer. Cu ct mai rapid se schimb temperatura n raport cu nlimea, adic cu ct este mai mare gradientul de temperatur, cu att mai puternic se schimb cu nimea i indicele de refracie, lucru care duce la o nclinare tot mai mare a razelor de lumin ce se propag prin straturile concentrice ale atmosferei. Razele de lumin nclin n direcia aerului mai dens (mai rece) ceea ce nseamn c imaginea este deplasat n direcia aerului mai puin dens ( mai cald). S-a vorbit adesea despre misterioasele apariii n mijlocul deertului a unor oaze, ceti sau locuri, n fa obositelor caravane care se grbesc s ajung la ele, dar ct de repede s-au deplasat acestea s-au deprtat i nu le pot ajunge nici odat deoarece ele nu exist. De asemenea printre marinari circula legenda corbiei fantom, sau a olandezului zburtor.

3. CURCUBEUL Curcubeul apare vara dup ploaie pe fundalul norilor plumburii i este un fenomen de o deosebit splendoare (fig. 3, vezi Anex). Grecii antici considerau curcubeul drept zmbetul zeiei Iris, menit s mpace Cerul i Pmntul dup o glceava cu tunete i fulgere. De la Iris vine i cuvntul a iriza" adic a descompune lumina alb n cele apte culori ale curcubeului: ROGVAIV.Fenomenul curcubeului se explic prin trei procese fizice: dou refracii, o reflexie total i dispersia luminii. Adic, refracia luminii la trecerea din aer n pictura de ap, o reflexie total pe partea interioar a picturii de ap, o refracie la ieirea luminii din pictur n aer, dispersia n interiorul picturii i la ieirea din pictur (fig.4). La formarea curcubeului particip milioane de picturi. Densitatea i mrimea lor determin luminozitatea i lrgimea arcelor colorate ale curcubeului. Curcubeul se vede bine atta timp ct picturile de ploaie sunt dese i cad uniform. Fiecare pictur de ploaie aflat n cdere i trimite raza sa spre ochiul observatorului numai timp de o fraciune de secund, apoi alt pictur i ia locul i tot aa de parc prin faa observatorului s-ar perinda cadrele unei pelicule de film.

4. HALOUL Prima descriere a acestui fenomen s-a fcut la Roma n 1637 i a fost numit cearcnul Soarelui" In jurul Soarelui se gsesc dou cercuri concentrice colorate n culorile curcubeului (fig. ). Att cercurile ct i Soarele sunt tiate printr-o linie alb, strlucitoare paralel cu orizontul. La locul de intersecie a acestei linii cu cercul mic se afl dou pete mari luminoase asemntoare Soarelui (Sori fali) iar deasupra i dedesubtul cercului dou semicercuri luminoase. Acest halou apare mai rar n zonele temperate i mai des n zonele Polare.Haloul ia natere cnd n faa Soarelui sau a Lunii se gsesc fii de nori subiri formai din cristale fine de ghea. Dup felul n care sunt aezate aceste cristale, haloul poate avea diferite forme. Rolul cristalelor de ghea n formarea haloului este important, lumina se refract pe feele cristalelor i apoi se reflect dup diferite direcii. Refractndu-se prin prisma de ghea lumina alb a Soarelui se descompune n raze colorate de aceea cercul haloului este colorat ca al curcubeului dar ordinea culorilor este invers: n partea exterioar este culoarea albastr iar n partea interioar este culoarea roie. Cristalele mici de ghea (care pot avea mai multe forme i se pot aeza n diverse poziii fa de razele incidente) luate mpreun cu picturile de ap i praful din atmosfer pot modifica att de neobinuit direciile razelor de soare si putem vedea proiectate pe cer diferite figuri luminoase: stlpi, cruci, sori fali.

5. AURORELE POLAREAurorele polare sunt, probabil, unele dintre cele mai interesante spectacole ale naturii. Misterul formrii lor i-a intrigat permanent pe oamenii de tiin i, chiar dac astzi el a fost descifrat n ceea mai mare parte a sa, nu puini sunt cei care cred c acest fenomen reprezint o manifestare a unor fore aflate dincolo de capacitatea de nelegere a oamenilor.Aurorelele polare se formeaz n ionosfera terestr, la latitudini de peste 60 grade, simultan n ambele emisfere. Perioadele de observare a aurorelor coincid cu perioadele de intensitate maxim a activitii solare sau puin dup acestea, atunci cnd fluxul de particule ionizate-electroni i ioni pozitivi-expulzat de Soare n spaiul cosmic, are intensitate maxim.Datorit impactului, o parte din electronii i ionii pozitivi care compun vntul solar sunt prini n magnetosfera i redirecionai spre Pmnt, pe liniile de for ale cmpului magnetic terestru, care, dup cum se tie, se deschid i se nchid n cei doi poli magnetici ai planetei, situai n apropierea polilor geografici. n consecin, acestea sunt obligate s ocoleasc centurile magnetice i s ajung pe Pmnt prin cei doi poli magnetici (nord i sud). Ele urmeaz apoi liniile cmpului magnetic n jos spre ionosfer, strat atmosferic situat ntre 60 si 600 km. Aceste particule cad n atmosfera nalt de deasupra regiunilor polare, producnd o ploaie de particule care se ciocnesc de moleculele de oxigen i azot din atmosfer. Cnd aceste particule interactioneaz cu gazele din ionosfera produc acest impresionant spectacol de lumini, numit de noi auror. Gama de culori variaz ntre rou, verde, albastru i violet, n funcie de energia particulelor incidente, dar i de concentraia moleculeleor din atmosfer. Cel mai des ntlnite sunt cele de culoare verde-deschis, care rezult din coliziunea electronilor captai de cmpul magnetic terestru cu atomii de oxigen din atmosfer, la altitudiuni mai mici de 400 km.

6. NIMBUL / FENOMENUL GLORIA / SPECTRUL BROCKENNimbul este un fenomen care are la baz difracia i interferena razelor de lumin. El poate fi observat cu destul uurin din aeronave, deasupra norilor, avnd soarele poziionat n spate (fig. 13). Acest fenomen a putut fi constatat i fotografiat numai atunci cnd omul a avut posibilitatea s foloseasc aparate de zbor. Nimbul mai poate fi observat vara, dimineaa devreme, pe un es cu iarb acoperit cu rou. Cnd Soarele ncepe s se ridice de la orizont, n jurul umbrei capului nostru putem observa un cerc luminos. Fenomenul mai este cunoscut i sub denumirea de Spectrul Brocken, de la numele unui munte ceos din Germania unde a fost observat i consemnat pentru prima dat. El se datoreaz picturilor de rou. Fiecare pictur luat separate funcioneaz ca o lentil optic. Fiecare din ele, adunnd razele solare, d cte o imagine a Soarelui n focarul picturii, situat pe firul de iarb care ine pictura. Soarele din imagine i trimite razele sale n direcia din care au venit, practic pe aceeai cale i noi vedem picturile de rou ca nite mici surse de lumin. Aureola luminoas va fi vzut numai n jurul umbrei capului propriu. Nimbul nu va fi observat pe o suprafa fr rou. n biserici, chipul Domnului are aureol deasupra capului, ca semn al divinitii. Mai este cunoscut i sub numele de Spectrul din Broken. Asta pentru c se poate observa des pe muntele Broken din masivul Harz, Germania. Aici se formeaz frecvent deoarece acest vrf este mereu nconjurat de pnze noroase situate sub nivelul lui.

7. ALTE FENOMENE OPTICE MAI PUIN NTLNITE

7.1 UMBRA PMNTULUI

Fenomenul este vizibil dup apusul soarelui, cnd umbra pmntului este proiectat n partea de est a boltei cereti. Cu trecerea timpului, umbra se nal din ce n ce mai mult. Pentru ca acest fenomen s fie vizibil este nevoie de un cer mai mult senin. Banda roz, de deasupra umbrei, se numete "Belt of Venus" sau "centura lui Venus".

7.2 GREEN FLASH/ GREEN RAY

Fr o traducere tiinific n limba romn, acest fenomen are loc nainte de rsrit sau dup apusul soarelui. Apare ca un bli verde, de scurt durat, deasupra soarelui. Este cauzat de refracia luminii n atmosfer: razele de lumin se deplaseaz mai ncet n masa de aer mai dens din apropierea solului, iar razele solare sunt curbate uor, dup cum i Pmntul este uor curbat. Datorit dispersiei, marginea superioar a discului solar va avea nuane de verde-albastrui, n timp ce marginea inferioar a discului solar va lua nuane de rou-oranj.Scnteierea verde a Soarelui (flash-ul verde).Acest fenomen optic rar apre dup apusul Soarelui sau nainte de rsrit. Atunci, o zon verde apare chiar deasupra Soarelui. Chiar Jules Verne a popularizat acest fenomen n cartea sa Le rayon vert. Acst fenomen poate fi vzut de la o mic altitudine , atunci cnd orizontul nu este blocat vizual.

7.4 DIAMOND DUST

Nu avem un corespondent exact al termenului i n limba romn. Fenomenul poate fi descris ca un nor n apropierea solului format din cristale fine de ghea care cad uor pe pmnt. Se formeaz mai ales la poli, n condiii de cer mai mult senin, inversiune termic i temperaturi de sub 0 grade. Adesea se formeaz i un halo asociat fenomenului

7.5 NORII NOCTILUCENI/ CURCUBEUL DE FOC

Fenomen spectaculos i foarte rar ntlnit, apare cnd soarele se afl la mai mult de 58 de grade deasupra orizontului, razele solare trec prin norii superiori translucizi formai din cristale de ghea hexagonale. Lumina intr prin lateral si iese prin spatele cristalelor de ghea, iar dac cristalele sunt orientate n mod optim rezultatul este cel din imagine.Ken Rothberg povestete c a vzut fenomenul atunci cnd soarele coborse n spatele unui nor de furtun, seara devreme, n apropiere de plaja Delray. Expertul n optic atmosferic dr. Les Cowley spune c termenul de "curcubeu de foc" nu descrie prea bine fenomenul, ntruct nu este vorba de un curcubeu, ci de un nor iridiscent."Numele fenomenului induce n eroare. Nu este nici curcubeu i nu are legtur nici cu focul. Ce se ntmpl acolo este c n dup-amiezile nsorite, norii cumulus "fierb" i trimit n sus, deasupra lor, straturi de aer umed, care se rcoresc, se condenseaz i formeaz norii pileus. Cnd se formeaz rapid norii pileus, picturile de ap tind s aib aceeai mrime, fiind condiia perfect pentru culorile iridiscente", explic expertul.

7.6 LUNA ALBASTR

Cnd atmosfera este ncrcat cu particule de fum i praf care absorb o parte din culorile spectrului luminii, atunci este posibil ca la observator s ajung o lumin albastruie. S-a ntmplat de-a lungul timpului ca dup mari incendii de pdure sau erupii vulcanice majore, luna s-i schimbe culoarea, fie ntr-o nuan albstruie fie n alte culori. O nuan roiatic se poate observa n timpul eclipselor de lunFenomenul de lun albastr este un fenomen rar ntlnit. Luna are culoarea alb - galbuie, cand este luminata de soare, neavnd lumin proprie. ntre lun i observatorul de pe pmnt se afla atmosfera. Cnd aceasta este ncrcat cu particule de fum si praf care absorb o parte din culorile spectrului luminii atunci este posibil ca la observator s ajunga o lumina abastruie. Acest fenomen a fost observat in 1950 in Suedia i n 1951 in Canada. Atunci au avut loc nite incendii foarte mati, atmosfera fiind ncrcat cu tot felul de particule. Se pare c acelai fenomen a fost observat nc din 1880, dupa eruptia vulcanului indonezian Krakatoa. Se spune ca acest vulcan a aruncat in atmosfera 25 de milioarde de metri cubi de roca, fum si piatra ponce, fcnd ca luna s se vad albastr.

7.8 FOCUL SFNTULUI ELM

Focul Sfntului Elm- apare n orele premergatoare orajelor (descarcarilor electrice) pe vrfurile ascutite. n conditiile n care cmpul electric al atmosferei are valori mari, se produce un flux de electroni ce dau o numita luminozitate.Fenomen de natur electrostatic, apare n orele premergtoare orajelor, cndcmpul electric al atmosferei are valori mari,astfel se produce un flux de electroni ce dau o anumit luminozitate. Apare pe obiectele nalte i ascuite, pe vrfuri muntoase, clopotnie, elice, botul avioanelor etc, i are aspectul unei flcari de culoare alb-albstruie.Herman Melville a numit-o "degetul lui Dumnezeu care arde". Cezar a vazut-o pe sulite a trupelor sale cu o noapte inainte de lupta. Acest efect spectaculos (cauzat de descarcarea de energie electrica din nori de furtuna in pamant) a fost mereu considerat ca un semn divin. Deseori poate fi vazut pe stalpii navelor in timpul furtunilor, iar cand marinarii vad aceste semne se bucura, pentru ca aceste "focuri" vestesc calmarea furtunii. Sfantul Elmo este protectorul marinarilor si se considera ca el este cel care trimite "focurile". Efectul optic poate fi vazut deseori pe inaltimile Castelului Rock din Edinburgh. Nu trebuie sa ratati sa vedeti castelul care strajuieste orasul dein varful sau vulcanic. Mergand pe strazile Royal Mile veti ajunge acolo.

The End