Fenomene optice din natur care se produc din cauza reflexiei, refrac iei i dispersiei luminiiCapitolul IV

Refrac ia i dispersia dispersia luminii pe pic turile de ap

1. Curcubeul

1.1. Formarea curcubeuluiCurcubeul primar este un fenomen optic i meteorologic manifestat prin apari ia spectrului luminos atunci cnd lumina se refract prin atmosfera, de cele mai multe ori ap rnd dup ploaie. Curcubeul ia forma unui arc multicolor, cu ro u la exterior i violet la interior. Secven a de culori cea mai acceptat este aceea i cu cea a spectrului luminii albe, adic : ro u, portocaliu (orange), galben, verde, albastru, indigo i violet.

Curcubeiele se pot observa oriunde sunt pic turi de ap n aer i soarele str luce te n spatele observatorului la o mic altitudine sau la vedere. Cele mai interesante apari ii ale curcubeului sunt cnd jum tate din cer este n continuare negru, cu nori ce se risipesc i observatorul este ntr-un punct cu cer senin deasupra. Efectul curcubeului este de asemenea v zut n mod frecvent lng fntni arteziene sau cascade. Efectul poate fi creat i n mod artificial pe pic turile de apa din aer n timpul unei zile nsorite.

Un curcubeu primar este o parte a unui cerc cu raza de 42 n jurul punctului antisolar. Un curcubeu este vizibil doar atunci cnd soarele str luce te n timp ce plou . Mai mult dect att, nivelul de n l are al soarelui trebuie s fie mai mic de 42. Dac soarele este mai jos i pozi ia punctului antisolar este mai mare de 42 sub nivelul orizontului, atunci curcubeul nu se nal deasupra orizontului.

Apari ia curcubeului este cauzat de dispersia razelor de soare. Lumina este prima dat refractat la intrarea n interiorul pic turii de ploaie i refractat din nou cnd p r se te pic tura. Efectul total este c lumina primit este refractat ntr-un ir larg de unghiuri, cu cea mai mare intensitate ntr-un unghi de 40-42 grade. Unghiul este independent de m rimea pic turii, dar depinde de indicele refrac iei. Apa m rii are un indice de refrac ie mai mare dect al pic turii de ploaie, a a c raza curcubeului n pic turile m rii este mai mic dect a curcubeului adev rat. Acest lucru este vizibil cu ochiul liber printr-o nealiniere a pic turilor.

Lumina alb se descompune n culori diferite la intrarea n pic tura de ploaie, deoarece lumina ro ie este reflectat sub un unghi mai mic dect lumina albastr . La ie irea din pic tur , razele ro ii se refract sub unghi mai mic dect razele albastre, producndu-se curcubeul.

O parte din lumina solar ce p trunde prin astfel de pic turi trece direct, nedeviat . Unele fascicole de lumin , ns , sunt refractate, dar razele care se refract sub un unghi cuprins ntre 40 i 42 de grade vor fi observate ca f cnd parte din curcubeu, de c tre un observator de pe P mnt.

Toate pic turile reflect lumina ro ie la un unghi de 42 de grade, a a c un observator nu va putea vedea dect lumina ro ie de la pic turile suspendate la altitudinea aceea. Lumina violet , reflectat sub un unghi de 40 de grade, este vizibil numai dac provine de la stropi de ploaie de la 40 de grade deasupra orizontului. Celelalte culori sunt reflectate sub un unghi cuprins ntre cele ale culorilor ro u i violet. De aceea ro u este mereu n partea superioar a curcubeului primar, violetul n partea inferioar , iar celelalte culori apar la mijloc.

Curcubeul primar rezult dintr-o dubl refrac ie i o reflexie intern total n untrul pic turii de ploaie. O anumit pic tur trimite doar o culoare la obsevator. Un curcubeu nu exist ntr-un anume loc pe cer. El este un fenomen a c rui pozi ie aparent depinde de loca ia observatorului i de pozi ia soarelui. Toate pic turile de ploaie reflectate i refract razele de lumin n acela i mod, dar numai lumina din unele pic turi de ploaie ajung la ochii observatorului. Aceast lumin este cea ce formeaz curcubeul pentru acel observator.

Curcubeul este centrat n umbra capului observatorului sau, mai exact, n punctul antisolar (care este sub orizont n timpul zilei), ap rnd la un unghi de 40-42 grade de la linia dintre capul observatorului i umbra sa. Ca un rezultat, dac soarele este mai sus de 42 grade, curcubeul este sub orizont i nu poate fi v zut. Excep ii au loc atunci cnd observatorul este cu mult deasupra p mntului, ca de exemplu ntr-un avion, pe varful muntelui sau deasupra unei cascade. Un curcubeu poate fi generat folosind o stropitoare de gr din , dar pentru a avea suficiente pic turi, ele trebuie sa fie foarte mici.

1.2. Tipuri de curcubeie 1.21.2.1. Curcubeul de grad zero 1.2Marea majoritate a razelor ies din pic turile de ap f r a suferi o reflexie intern , dar nu prezint un unghi maxim de deviere ca n cazul n care exist cel pu in o reflexie intern . Din aceast cauz curcubeul de ordinul zero nu se prezint ca un curcubeu obi nuit, ci are acelea i culori ca i razele solare incidente. Str lucirea curcubeului de ordinul zero este redus , putnd fi acoperit de curcubeiele de ordinul 3 i 4.

1.2.2. Curcubeul primar 1.2

1.2.3. Curcubeul secundar 1.2

Curcubeul secundar este cauzat de o dubl refrac ie a razelor de lumin n interiorul pic turilor de ploaie i apare la un unghi de 50-53 grade. Ca un rezultat al celei de-a doua refrac ii, culorile curcubeului secundar sunt aranjate invers fa de cele din arcul primar, cu violet n exterior i ro u n interior. Zona ntunecat a cerului neluminat ce se ntinde ntre arcul primar i cel secundar este numit dunga Alexander, dup Alexander of Aphrodisias care a descris-o primul.

Unele raze se reflect de dou ori n interiorul pic turilor de ploaie nainte s fie v zute de privitor. Cnd raza incident este foarte str lucitoare, aceasta poate fi v zut ca un curcubeu secundar la 50-53 grade.

Un curcubeu secundar apare n afara primului curcubeu i se atenueaz atunci cnd lumina care p trunde prin pic tura de ploaie trece prin dou reflexii interne n loc de una (precum n cazul primului curcubeu). Intensitatea luminii e redus mai mult la a doua reflexie. De aceea curcubeiele secundare nu sunt la fel de viu colorate precum cele primare.

1.2.4. Curcubeiele de grade superioare 1.2 CurcubeieleUn al treilea curcubeu sau curcubeul triplu poate fi v zut n ocazii rare i doar c iva observatori au reportat c au v zut un curcubeu cvadublu. Aceste curcubeie vor ap rea n aceea i parte a cerului n care este i soarele, f cndu-le greu de recunoscut.

Soarele

Simularea pentru curcubeiele de gradul 3 i 4

1.2.5. Curcubeiele supranumerare 1.2 CurcubeieleOcazional, un alt frumos i izbitor curcubeu poate fi observat, constituit din curcubeie slabe pe interiorul curcubeului primar i, foarte rar, n exteriorul curcubeului secundar. Ele sunt mai pu in luminoase i au o culoare pastelat care nu se potrive te cu tiparul obi nuit. Ele sunt cunoscute sub numele de curcubeie supranumerare i nu este posibil s explici existen a lor folosind optica geometric clasic . Curcubeiele supranumerare sunt mai vizibile atunci cnd pic turile de ploaie sunt mici i cam de aceea i dimensiune.

Curcubeiele supranumerare sunt benzi irizate suplimentare n interiorul primului curcubeu i, n foarte pu ine situa ii, n exteriorul celui de-al doilea. Ele se datoreaz interferen ei razelor refractate i reflectate n pic turi.

1.2.6. Curcubeul jos 1.2La r s ritul i apusul soarelui, centrul curcubeului (punctul antisolar) este la orizont, 0. Curcubeul se observ ca un semicerc. Dac soarele se ridic pe cer, centrul curcubeului coboar sub linia orizontului, iar curcubeul se observ ca un arc de cerc pozi ionat foarte aproape de p mnt. Atunci cnd soarele se ridic la 42 deasupra orizontului, curcubeul se observa chiar deasupra orizontului.

Soarele la 20 deasupra orizontului Soarele la orizont, la 0 Soarele la 40 deasupra orizontului

1.2.7. Curcubeiele pereche (ngem nate) 1.2 Curcubeielen timpul unei ploi abundente, poate fi observat o dublare a p r ii superioare a curcubeului care, de obicei, dureaz de la cteva secunde la cteva minute.

Pentru c pn acum ceva timp fuseser f cute foarte pu ine observa ii n leg tura cu acest fenomen, nu se puteau face dect specula ii n leg tur cu originea lor. Dar n ultimii ani, aceast ngemnare a putut fi nregistrat mai des prin observa ii continue i, datorit unor descrieri detaliate, au putut fi naintate noi teorii. Deoarece n toate observa iile ambele curcubee au aceea i intensitate a culorilor, refexia luminii pe particule de ghea e eliminat . Este cel mai probabil ca pic turi de ploaie care nu au form sferic s produc unul din aceste curcubeie sau chiar pe ambele. Datorit elasticit ii suprafe ei, pic turile mici de ploaie i schimb foarte rar forma cnd cad, dar cele mai multe pot fi turtite de c tre rezisten a aerului atmosferic. Cu ct devin mai turtite, cu att este mai mic indicele lor de refrac ie.

1.2.8. Curcubeul scurt 1.2 CurcubeulCurcubeul scurt apare n partea estic a cerului n timpul zilei, n zilele n care sunt mul i nori pe cer, o mare parte a curcubeului fiind acoperit de nori, exceptnd baza. Curcubeul are culori ro iatice deoarece apare n timpul soarelui ro u al zilei.

1.2.9. Curcubeul ro u 1.2 CurcubeulLa apusul soarelui toate culorile dispar din curcubeu, mai pu in ro ul. Uneori poate fi vizibil pe o durat de 10 minute dup apus. Culoarea ro ie vine din spectrul razelor de soare de la apus. Lungimile de und mai scurte precum albastru i verde sunt puternic mpr tiate de c tre atmosfer i doar ro ul r mne astfel vizibil.

1.2.10. Curcubeul lunar 1.2 10. CurcubeulO lun plin e suficient de str lucitoare nct s i se refracte lumina de c tre pic turile de ploaie la fel ca i n cazul soarelui. Lumina lunii este mult mai palid i, de aceea curcubeul lunii nu e nici pe departe la fel de colorat ca cel produs de soare. Curcubeiele lunii au fost observate nc de pe vremea lui Aristotel.

1.2.11. Curcubeiele reflectate 1.2 11. CurcubeieleCnd lumina soarelui se reflect sau ntr-o suprafa ntr-o piscin cu ap asem n toare nainte de a produce i pot fi

curcubeul, are loc fenomenul de reflectare a arcelor

observate mai multe arce, nu numai cel primar i cel secundar.

1.2.12. Curcubeul produs n cascad 1.2 12. Curcubeul

1.2.13. Curcubeul produs de gheizer 1.2 13. Curcubeul

1.2.14. Curcubeul produs n valurile marine 1.2 14. Curcubeul

Curcubeu pe nisip

1.2.15. Curcubeul artificial 1.2 15. CurcubeulCurcubeul artificial poate fi produs cu ajutorul unui furtun de gr din . Fenomenul nu poate fi complet reprodus cnd soarele dispare n spatele unui nor mare.

Administra ia br ilean a fost contactat de un grup de fizicieni interesa i s realizeze o instala ie care produce un curcubeu artificial, o noutate absolut pentru Romania. "Instala ia, simpl i ieftin , creeaz un curcubeu permanent prin eliberarea apei sub presiune dintr-o retea de furtunuri dispuse de-a lungul unei fntani arteziene", a declarat unul dintre fizicieni. Propunerea ar putea fi pus n practic pe esplanada Dun rii. O astfel de fntna exist n Viena.

1.2.16. Curcubeul produs de fulger 1.2 16. Curcubeul

Curcubeul produs de c tre fulger poate avea i o form liniar , forma curcubeului fiind dependent de forma fulgerului.

1.3. Istoria tiin ei curcubeului 1.3

Astronomul Persian Qutb al-Din al-Shirazi, sau mai degrab , studentul s u Kamal al-din al-Farisi, este considerat a fi dat pentru prima dat explica ia corect pentru fenomenul curcubeului. Lucrarea lui Robert Grosseteste despre lumin a fost continuat de Roger Bacon, care a scris n Opus Majus din 1268 despre experimente cu lumina str lucind pe cristale i pe pic turile de ap ar tnd culorile curcubeului.

Theodoric os Freiberg este de asemenea cunoscut deoarece a dat o explica ie teoretic corect pentru curcubeul primar i cel secundar n 1307. El a explicat curcubeul primar, subliniind c atunci cnd razele de soare cad pe pic turi individuale de umezeal , razele trec prin dou refrac ii i o reflexie (la spatele pic turii) naintea transmiterii n ochii observatorului. El a explicat curcubeul secundar printr-o analiz similar implicnd 2 refrac ii i 2 reflexii. Descartes, n 1637, a suplimentat cu mult succes aceast explica ie. tiind c m rimea pic turii de ploaie nu p rea a afecta curcubeul observat, el a experimentat trecnd raze de lumin printr-un pahar mare, n form de sfer , umplut cu ap . M surnd unghiurile pe care razele le-au f cut, el a concluzionat: curcubeul principal era produs de o singur reflexie n interiorul pic turii de ploaie i curcubeul secundar poate fi produs de 2 reflexii interne. El a fost n stare s descopere aceste lucruri prin derivarea legii refrac iei i s calculeze corect unghiurile pentru amndou curcubeiele.

Explica ia lui despre culori, cu toate acestea, era bazat pe o versiune mecanic a tradi ionalei teorii, n care aceste culori erau produse de o modificare a luminii albe. Isaac Newton a fost primul care a demonstrat c lumina alb era compus din lumina tuturor culorilor curcubeului, pe care o prism le poate separa n ntregul spectru al culorilor, respingnd teoria prin care se presupunea c aceste culori erau produse de o modificare a luminii albe. El a ar tat de asemenea c lumina ro ie se refract mai pu in dect cea albastr , ce duce la prima explica ie tiin ific a tr s turilor majore ale curcubeului. Teoria corpuscular a lui Newton despre lumin nu a putut s explice curcubeele supranumerare, iar o explica ie satisf c toare nu a fost g sit dect atunci cnd Thomas Young a realizat c lumina se comport ca o und n anumite condi ii i poate interfera cu ea ns i. Lucrarea lui Young a fost completat n 1820 de c tre George Biddell Airy, care a explicat dependen a intensit ii culorilor curcubeului de dimensiunea pic turilor de ap .

Descrierea fizic modern a curcubeului este bazat pe mpr tierea Mie, lucrare publicat de Gustav Mie n 1908. Progresul n metodele computerizate i teoriile optice continu s duc la o n elegere complet a curcubeielor. Ca de exemplu, Nussenzweig a furnizat o expunere modern .

2. Pic turile de rou

Diminea a, cnd paji tea str luce te n mii de culori, se pot observa fragmente de arcuri de curcubeu pe pic turile de rou din pnzele de paianjen aproape de sol. Micile pic turi reflect lumina soarelui precum cele de ploaie. Un arc de rou nu este altceva dect un curcubeu orizontal. Benzile ro ii i bleu ale primului arc se observ n mijlocul imaginii. Pic turile din acel arc reflect foarte mult lumina soarelui, dar pic turile din exteriorul s u nu le reflect , exact ca i n cazul curcubeului. Roua dimine ii prezint schi a unei pnze invizibile.

Sunt eviden iate clar dou arce figurate deasupra primului arc. De asemenea, aceste arcuri de rou pot fi observate i pe frunze, acolo unde pic turile sunt suficient de mici nct s nu- i piard forma. Dac razele de soare vin sub unghi potrivit, se adaug mai mult culoare acestei pnze. Dar este foarte scurt intervalul de timp n care razele calde ale soarelui evapor pic turile i curcubeul de pe pnza de paianjen devine invizibil. Pierderea unor culori se poate datora i aparatului de fotografiat, dar, mi cnd capul, se poate g si pozi ia pentru care arcul devine mai evident.

Culorile nu sunt puternice, dar marginea portocalie poate fi observat mi cnd ochiul ntr-un plan vertical.

Bibliografie` ` ` ` ` ` ` ` ` ` ` ` ` ` ` ` ` ` ` ` ` ` ` ` ` ` http://acept.la.asu.edu/PiN/info/toc_topics.shtml http://apollo.lsc.vsc.edu/classes/met130/notes/chapter19/index.html http://arborsci.com/CoolStuff/cool25.htm http://atmospherical.blogspot.com/ http://www.atoptics.co.uk/ http://cimss.ssec.wisc.edu/wxwise/class/optics.html http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_phenomen http://eo.ucar.edu/rainbows http://cyberzoide.developpez.com/pourquoi/index.php3?page=ciel http://fr.wikipedia.org/wiki/Ph%C3%A9nom%C3%A8ne_optique http://www.gdargaud.net/Antarctica/AntarSky.html http://home.swipnet.se/matsm/ http://la.climatologie.free.fr/pheno-optique/optique1.htm http://optics.kulgun.net/ http://www.ldi5.com/ovni/natconf.php http://www.lochlyn.org/chap13.htm http://www.meteo.org/phenomen/arc-ciel.htm http://www.meteolafleche.com/arc.html http://www.meteoros.de/indexe.htm http://www.ne.jp/asahi/stellar/scenes/english/aop.htm http://optics.kulgun.net/ http://pfz.free.fr/arc_en_ciel.htm http://www.usna.edu/Users/oceano/raylee/RainbowBridge/Chapter_8.html http://webexhibits.org/causesofcolor/moved.html http://www.weather-photography.com/gallery.php?cat=index http://www.stirilocale.ro/braila

Documentarea, traducerea i tehnoredactarea ini ial :

Buc Oana Hum M d lina Iordache Mihai Zaharia Alinaclasa a XI-a B Coordonarea, completarea informa iilor i a imaginilor, corectura textului i tehnoredactarea final :

prof. Ioana-Mihaela Popescu IoanaColegiul Na ional Unirea 2007