🌈 Optyka atmosferyczna

Światło słoneczne zawiera wszystkie widzialne długości fal, ale gdy przechodzi przez powietrze, cząsteczki azotu i tlenu rozpraszają krótsze (niebieskie) długości fal znacznie silniej niż dłuższe (czerwone). Intensywność rozpraszania Rayleigha jest proporcjonalna do 1/długość_fali^4, więc niebieskie światło o długości 450 nm jest rozpraszane około pięć razy mocniej niż czerwone o długości 700 nm. Gdy patrzysz gdziekolwiek poza bezpośrednio na słońce, to niebieskie rozproszone światło dominuje w tym, co dociera do Twoich oczu.

Wybierz scenę z listy rozwijanej: „Sky" pokazuje rozpraszanie Rayleigha zmieniające się wraz z suwakiem elewacji słońca; „Rainbow" pokazuje główny i wtórny łuk tęczy z geometrią antysłoneczną; „Ice-Crystal Halo" pokazuje pierścienie 22 i słabszy 46 stopni; a „Inside a Rain Droplet" śledzi, jak poszczególne długości fal przemieszczają się przez kulistą kroplę. Użyj suwaka elewacji słońca, by przesunąć słońce od horyzontu do zenitu, a w scenie kropli użyj suwaka długości fali, by zobaczyć, jak współczynnik załamania zmienia się w zależności od koloru.

Główny łuk tęczy pojawia się w przybliżeniu pod kątem 42 stopni od punktu antysłonecznego (punktu leżącego dokładnie naprzeciw słońca względem Twojego oka). Ten kąt wynika z geometrii jednego wewnętrznego odbicia wewnątrz kulistej kropli wody: minimalny kąt odchylenia dla czerwonego światła wynosi około 42,5 stopnia, podczas gdy dla fioletowego około 40,6 stopnia, rozciągając kolory na łuku o rozpiętości około 2 stopni. Wtórna tęcza znajduje się blisko 51 stopni z odwróconymi kolorami.

Sześciokątne kryształki lodu w chmurach pierzastych działają jak pryzmaty 60-stopniowe. Gdy światło wchodzi jedną ścianą i wychodzi ścianą niesąsiadującą pod minimalnym kątem odchylenia, odchylenie wynosi w przybliżeniu 22 stopnie niezależnie od długości fali (w pierwszym przybliżeniu). Ponieważ kryształki są losowo zorientowane, rozproszone światło tworzy pełny pierścień wokół słońca. Warunek minimalnego odchylenia koncentruje wiele ścieżek promieni w pobliżu 22 stopni, tworząc jasny pierścień z czerwoną wewnętrzną krawędzią (krótsza droga przez pryzmat) i biało-niebieską zewnętrzną krawędzią. Słabsze halo 46 stopni powstaje przez drogę pryzmatu 90-stopniowego przez górną i boczną ścianę.

Tęcze są widoczne zawsze, gdy słońce jest za Tobą, a deszcz, mgła lub rozpylona woda są przed Tobą. Rozpylacz do węża ogrodowego, wodospady i mgła w porannym słońcu — wszystkie tworzą łuki tęczy. Ponieważ punkt antysłoneczny musi znajdować się w centrum łuku, słońce musi być poniżej 42 stopni elewacji, by główny łuk pojawił się nad horyzontem; blisko wschodu i zachodu słońca, gdy słońce jest bardzo nisko, można zobaczyć niemal pełny półokrąg. Z samolotu lub wysokiego punktu widokowego możliwa jest pełna kolista tęcza.

To powszechne błędne przekonanie. Światło fioletowe (około 380-420 nm) rozprasza się rzeczywiście bardziej niż niebieskie (około 450 nm) zgodnie z prawem 1/lambda^4. Jednak kilka czynników przesuwa postrzegany kolor w stronę niebieskiego: słońce emituje mniej fioletu niż niebieskiego w widzialnym spektrum, nasze oczy mają znacznie niższą czułość na fiolet (krótkofalowe czopki S nie są zbyt liczne), a znaczna część fioletu jest pochłaniana w górnej atmosferze przez ozon. Łączny efekt sprawia, że rozproszone niebo wydaje się ludzkim obserwatorom niebieskie, a nie fioletowe.

Lord Rayleigh (John William Strutt) opublikował swoje wyjaśnienie koloru nieba w 1871 roku, pokazując, że intensywność światła rozproszonego przez małe cząstki (znacznie mniejsze niż długość fali światła) skaluje się jako czwarta potęga częstotliwości (równoważnie, odwrotna czwarta potęga długości fali). Bazował na wcześniejszej pracy Tyndalla, który w latach 60. XIX wieku wykazał, że bardzo drobne cząstki preferencyjnie rozpraszają niebieskie światło. Szczegółowe ujęcie kwantowo-mechaniczne pojawiło się później, ale klasyczny wzór Rayleigha pozostaje dokładny dla atmosferycznego rozpraszania przez cząsteczki powietrza.

Powiązane zjawiska obejmują zielony błysk (załamanie i dyspersję na horyzoncie o zachodzie słońca), glorię (rozpraszanie wsteczne od kropel chmur, widoczne z samolotu wokół jego cienia), Pas Wenus (różowawe pasmo naprzeciw zachodzącego słońca powstałe z wstecznie rozproszonego zaczerwienionego światła), łuki cyrkumzenitalne i cyrkumhoryzontalne (inne efekty optyczne kryształów lodu) oraz rozpraszanie Miego (biały wygląd chmur i mgły, gdzie kropelki są znacznie większe niż długość fali i rozpraszają niemal równomiernie wszystkie kolory). Symulator rozpraszania Rayleigha na tej stronie pozwala zgłębić mechanizm niebieskiego nieba.