Středoškolská odborná činnost 2007/2008 Obor 2 Fyzika * Optické jevy v atmosféře Autor: Radek Podškubka Gymnázium J.A.Komenského, Komenského 169 688 31 Uherský Brod, Septima Konzultant práce: RNDr. Petr Pišoft, Ph.D. Katedra meteorologie a ochrany prostředí, MFF UK Zadavatel práce: Vlčnov, 2007-1 -
Prohlašuji tímto, že jsem soutěžní práci vypracoval samostatně pod vedením RNDr. Petr Pišofta, Ph.D. a uvedl v seznamu literatury veškerou použitou literaturu a další informační zdroje včetně internetu. Ve Vlčnově dne 13.3.2008 vlastnoruční podpis autora - 2 -
Obsah 1. Úvod 4 2. Záření a stíny 5 2.1. Krepuskulární paprsky....... 5 2.2. Antikrepuskulární paprsky....... 6 2.3. Horský stín......... 7 2.4. Zemský stín......... 7 2.5. Sluneční dosvit........ 8 2.6. Zploštělé slunce........ 8 2.7. Zrcadlení......... 9 2.8. Zelený záblesk........ 12 3. Vodní kapky 13 3.1. Korón a......... 13 3.2. Irizace oblaků........ 14 3.3. Mlhová duha......... 15 3.4. Gloriola......... 16 3.5. Heiligenschein........ 17 4. Duhy 18 4.1. Primární duha........ 18 4.2. Sekundární duha........ 19 4.3. Alexandrův oblouk........ 20 4.4. Duhy vyšších řádů........ 20 4.5. Podružné oblouky........ 21 4.6. Reflexní duha........ 21 4.7. Další duhy......... 22 5. Halové jevy 23 5.1. Ledové krystaly........ 23 5.2. Orientace krystalů........ 23 5.3. Stěny krystalů........ 24 5.4. Časté halové jevy........ 24 5.5. Neobvyklé halové jevy....... 28 5.6. Shrnutí......... 30 6. Závěr 31 6.1. Základní poznatky........ 31 6.2. Zdroje informací........ 32-3 -
Úvod Co jsou to optické jevy a proč vůbec vznikají? Téměř všechny optické jevy v atmosféře vznikají v důsledku slunečního, případně měsíčního záření. V této práci se budeme tedy zaměřovat pouze na viditelné světlo. Viditelné světlo je elektromagnetické záření o vlnových délkách 400 700 nm. K tomu, aby nějaký jev vznikl a byl pozorovatelný nestačí jen pouhé záření. Další nutností pro vznik některého z optických jevů je samotná atmosféra, kterou záření prochází. Atmosféra není tvořena pouze směsí různých plynů, jak by se na první pohled mohlo zdát. Kromě plynné složky zde najdeme i pevné nebo kapalné částice. Jde především o kapičky vody, krystalky ledu nebo prachové částice, které se do atmosféry dostaly například vulkanickou činností. Tyto částečky jsou v atmosféře rozmístěny nehomogenně. Aerosolové částice jsou pro nás podstatné, protože ovlivňují a působí na světlo procházející atmosférou, můžou na světlo působit samostatně nebo ve skupinách. Dochází potom k jevům jako je například absorpce, odraz, rozptyl, lom nebo třeba difrakce světla. Díky těmto efektům a jejich kombinacím můžeme pozorovat velké množství různých úkazů v atmosféře. Některé z nich jsou zcela běžné, jiné se nám podaří pozorovat třeba jen jednou v životě nebo dokonce nikdy. Některé jsou naopak tak nenápadné, že si jich nemusíme vůbec všimnout, jiné jsou naopak nepřehlédnutelné. - 4 -
2. Záření a stíny Může se zdát, že jde o obyčejné jevy, které každý zná, ve skutečnosti však může záření a stíny v kombinaci například s rozptylem světla vytvořit velmi zajímavé úkazy. Tyto jevy jsou někdy souhrnně nazývány jako soumrakové jevy. 2.1 Krepuskulární paprsky Krepuskulární paprsky vznikají nejčastěji, pokud je slunce zastíněno mrakem, nebo se mrak nachází v jeho blízkosti. Paprsky vybíhají paralelně z jednoho místa. Jejich barva je červená až žlutá. Směrem dál se začínají rozbíhat a rozšiřovat, což je dáno jevem, nazývaným perspektiva. Ve skutečnosti jsou rovnoběžné. Podobně je tomu například i u dlouhé přímé železniční tratě nebo silnice. Proč ale paprsky vůbec vznikají? Pokud není mrak celistvý - jsou v něm mezery, prochází jimi světlo, naopak v místech, kde mezery nejsou se vytvoří stín. Tím pádem vznikají ostré hranice mezi stínem a světlem. Paprsky samotné vidíme díky rozptylu světla na částicích v atmosféře. Některé krepuskulární paprsky směřují zdánlivě nad mrak, u jiných se nám jeví, že směřují pod mrak. Pokud stín mraku dopadá na povrch země ještě před pozorovatelem, jeví se nám, že paprsky směřují k zemi. V opačném případě když stín mraku dopadá na zemský povrch až za zády pozorovatele, paprsky směřují zdánlivě nahoru nad mrak. Ve skutečnosti sluneční paprsky dopadají stále pod stejným úhlem. Na levé části schématu můžete vidět směr paprsků a stínů tak, jak je vidí pozorovatel. Na pravé části je dobře vidět, kam stíny dopadají. - 5 -
Pro zajímavost uvádím další varianty krepuskulárních paprsků. Jde o měsíční krepuskulární paprsky, které jsou mnohem vzácnější a mnohem méně nápadné, než sluneční krepuskulární paprsky. Může se zdát, že na přiloženém obrázku je slunce, ve skutečnosti tomu tak není. Jde o noční fotografii měsíce s expozicí 23 sekund. Další zajímavá varianta krepuskulárních paprsků jsou odražené krepuskulární paprsky. Jde o paprsky směřující zpoza menšího kopce nebo vyvýšeniny, i když je sluce stále ještě nad obzorem. Může se zdát, že jsou produkovány nějakým záhadným svítícím objektem, který se před námi skrývá za obzorem. Ve skutečnosti má tyto paprsky na svědomí taky slunce. Jak napovídá název, paprsky vznikají odrazem a to od nějaké reflexní plochy, nejčastěji vodní plochy, která se nachází za výše uvedenou vyvýšeninou. Zjednodušené schéma, které naznačuje vznik odražených krepuskulárních paprsků. Paprsky a) jsou krepuskulární paprsky a paprsky b) jsou odražené krepuskulární paprsky. 2.2 Antikrepuskulární paprsky I když uvádím tento jev jako samostatnou podkapitolu, nejedná se o specifický úkaz. Antikrepuskulární paprsky jsou součástí krepuskulárních paprsků. Pozorujeme je jako ohon krepuskulárních paprsků na opačné straně oblohy. Nejlépe jsou pozorovatelné při západu nebo východu slunce. Pokud tedy pozorujeme západ slunce, antikrepuskulární paprsky jsou na východní straně oblohy. Mechanismus jejich vzniku a tvaru je stejný jako u krepuskulárních paprsků. - 6 -
2.3 Horský stín Další ze zajímavých hrátek stínu a záření je horský stín. Horský stín se dá pozorovat z vrcholků větších hor. Může vznikat v případě, že je slunce jen několik stupňů nad obzorem. To nastává samozřejmě při východu nebo západu slunce. Rovnoběžné paprsky dopadají na úbočí hory a ta vrhá stín. Stín může být až několik desítek kilometrů dlouhý. Opět se tu uplatňuje efekt perspektivy. Tvar stínu nám připomíná trojúhelníkový obrazec, ve skutečnosti je šířka stínu ve všech místech stejná. Ve skutečnosti se tedy tvar stínu spíš podobá obdélníku. Na levé části obrázku vidíme paprsky, které jsou rovnoběžné s povrchem země. Na pravé straně vidíme znázornění stínu tak, jak jej vidí pozorovatel. Uplatňuje se zde vliv perspektivy. 2.4 Zemský stín Existuje více možností pozorování zemského stínu. Velmi známým způsobem pozorování zemského stínu je zatmění Měsíce, to ovšem nepatří do tématu atmosférické optiky. Zemský stín můžeme pozorovat i jiným způsobem a mnohem častěji. Určitě jste ho už mnohokrát viděli, ale ani jste si neuvědomili, o co jde. Zemský stín je pozorovatelný nejlépe při vyjasněné obloze těsně před východem nebo po západu slunce. Jeví se nám jako šedý pás nad obzorem. Ráno na západě, večer na východě. Se zemským stínem je taky spojen jev zvaný pás Venuše. Vzniká za naprosto stejných podmínek jako zemský stín. Jde o růžový pás nad zemským stínem, to je asi 10-20 nad horizontem. Světlo, které vidíme jako Venušin pás k nám proniká, jak je vidět i na schématu, velmi silnou vrstvou atmosféry. Na jeho vzniku se podílí rozptyl světla. Intenzita rozptylu světla závisí na vlnové délce světla. - 7 -
Na schématu je dobře vidět rovina horizontu a výška stínu nad ní. Na malých částicích, jako jsou například molekuly atmosférických plynů se nejvíce rozptyluje světlo kratších vlnových délek fialové a modré. To je úplně rozptýleno a silnou vrstvou atmosféry projdou pouze paprsky světla o větších vlnových délkách odstíny červené. 2.5 Sluneční dosvit Delší dobu po západu nebo těsně před východem slunce už začíná mizet zemský stín. Slunce kleslo asi 5 pod obzor. Pokud se podíváme například při západu slunce na západní obzor, můžeme tu pozorovat takzvaný sluneční dosvit. I když je obloha docela tmavá, na západním obzoru stále září nazlátlý pruh, který výš nad obzorem přechází postupně do růžové barvy. Tento sluneční dosvit způsobují velmi jemné prachové částice obsažené v zemské atmosféře. Tyto částice rozptylují viditelné světlo. Ve vysokých horách má sluneční dosvit bílou barvu, protože ve vyšších vrstvách atmosféry už není takové množství částic, které by rozptylovaly světlo. V historii (1883) byl tento jev velmi dobře pozorovatelný. Po gigantickém výbuchu sopky Krakatoa se do atmosféry dostalo velké množství velmi jemného popílku vhodného pro rozptyl světla, který se později dostal větrnými proudy do celé atmosféry. 2.6 Zploštělé slunce Slunce může mít při západu oválný tvar a taky může být mírně vertikálně zploštělé. Na tomto jevu se uplatňuje efekt astronomické refrak ce. Sluneční paprsky k nám procházejí atmosfér ou, proto dochází k lomu. Atmosféra je nehomoge nní. Ve vyšších vrstvách atmosféry je nižší hustota vzduchu, naopak při povrchu je hustota vzduchu vysoká. Světlo se lomí mimo jiné i při průchodu prostředím s různými indexy lomu. Vzduch - 8 -
o různých hustotách má různé indexy lomu. V našem případě prochází z řidších vrstev k vrstvám hustším, proto se lomí světlo směrem k povrchu země. Slunce je plošný zdroj světla, proto paprsky z horní části slunečního kotouče procházejí vrstvou atmosféry o rozdílné tloušťce než paprsky z dolní části slunečního kotouče. Tím pádem se tyto paprsky lomí různě. Paprsky z dolní části slunečního kotouče se lomí víc. Nejvíce se paprsky lomí, pokud je slunce těsně nad obzorem a proto se nám v této poloze jeví nejvíce zploštělé. Zakřivení paprsků závisí na různých vlastnostech atmosféry. Může být Na schématu můžete vidět plnou čarou vyznačené trajektorie skutečných slunečních paprsků a čárkovaně směr, ve kterém slunce vidíme. až natolik velké, že slunce, které vidíme těsně nad hladinou moře je ve skutečnosti už pod obzorem. 2.7 Zrcadlení Zrcadlení v atmosféře je způsobeno vrstvami vzduchu o různých teplotách a hustotách. Název jevu zrcadlení může být zavádějící. Ve skutečnosti je zrcadlení způsobeno lomem slunečních paprsků, ne odrazem. Lom vzniká při prostupu světla rozhraním dvou materiálů o různých hustotách. Takové podmínky můžou vznikat i v atmosféře. Nejčastěji teplota atmosféry klesá s výškou. Tento pokles bývá plynulý a mírný, asi 1 C na 100 m, protože teplý vzduch stoupá nahoru, dokud nedosáhne teploty svého okolí. Někdy se však může objevit výjimka. Jde o teplotní inverzi a o velmi zahřátou vrstvu vzduchu těsně nad povrchem. (1) Teplotní inverze je případ, kdy se teplejší vrstva vzduchu nachází nad chladnou vrstvou, která pokrývá povrch. Může vznikat například pokud teplý vzduch z vnitrozemí vane směrem k moři a pokryje vrstvu chladného přímořského vzduchu. (2) Naopak velmi zahřátá vrstva vzduchu těsně nad povrchem vzniká při slunečných horkých dnech. Sluneční záření zahřívá povrch země. Může jít o mořskou hladinu, písek na poušti nebo asfalt. Tyto zahřáté plochy následně zahřívají i vzduch v jejich těsné blízkosti. Musíme si uvědomit, že například asfalt nebo písek může být až o 10 C teplejší než okolní vzduch. - 9 -
Tyto dva základní případy mají za následek dva jevy, které můžou být později využívány k popsání dalších případů zrcadlení. Případ (1) má za následek jev zvaný horní zrcadlení. V tomto případě vidíme obraz nějakého objektu, který je ve skutečnosti pod námi. Světlo směřuje k rozhraní teplého a chladného vzduchu a láme se směrem k hustší (chladnější) vrstvě. Z toho vyplývá, že se obraz láme směrem k nám a my ho můžeme vidět nad obzorem, jako převrácený a často deformovaný. Případ (2) s sebou přináší dolní zrcadlení. Objekt, na jehož obraz se díváme je ve skutečnosti nad námi. Světlo přicházející od zdroje se láme na přelomu teplého a chladného vzduchu. Láme se směrem k pozorovateli. Jedním z jevů, které způsobuje spodní zrcadlení, Na obrázku je dobře vidět, že u vzduchu se paprsky ohýbají vždy k hustší vrstvě. je západ slunce ve tvaru řeckého písmena omega. Paprsky z různých částí slunce se lámou v různých místech rozhraní teplého a chladného vzduchu. Když se slunce přibližuje k obzoru, začíná se těsně nad obzorem objevovat převrácený obraz slunce, který se později se skutečným sluncem spojí a vytvoří tvar písmena omega. Tento jev je často vidět při západu slunce nad mořskou hladinou. Toto složitější schéma ukazuje případ vzniku slunce ve tvaru písmena omega. Můžeme zde vidět dva rovnoběžné paprsky, které k nám přicházejí z vyšší a z nižší části slunce. Paprsek z nižší části se zakřivuje více než paprsek z vyšší části. Tečkovaně je vyznačena hranice, při jejíž překonání se obraz převrací. Spodní část slunce se tedy v takovém případě převrátí a vytvoří spodní část písmena omega. - 10 -
Dalším zajímavým případem může být tvar zapadajícího slunce při inverzi. Uplatňuje se zde horní zrcadlení, paprsky dolní části slunce jsou opět převraceny a my vidíme slunce ve tvaru, který může připomínat klobouk houby. Konkrétně tato fotografie byla pořízena při velmi silné inverzi. Rozhraní mezi chladným a horkým vzduchem bylo velmi ostré asi 5 m nad hladinou. Schéma vzniku deformovaného slunce při teplotní inverzi znázorňuje dva příchozí sluneční paprsky. Jeden z vyšší části slunce a druhý z nižší části slunce. Paprsek z vyšší části slunce se při delším průchodu inverzní hranicí více zakřivuje a vytváří převrácený obraz slunce. Paprsek z nižší části slunce vytváří normální obraz slunce. Kombinací těchto obrazů vzniká deformovaná oblast. Mnohem zajímavější případ, než deformované tvary slunce je určitě každému známá fata morgana. Fata morgana má vzhled nějakého objektu nebo živočicha, který ve skutečnosti na místě, kde ho pozorujeme vůbec není. Objekt může být dokonce deformovaný nebo převrácený Fata morgana vzniká kombinací obou zrcadlení. Více se zde však uplatňuje horní zrcadlení, díky kterému můžeme pozorovat objekty od nás velmi vzdálené. Místem velmi bohatým na impozantní faty morgany je okolí města Reggio di Calabria v Messinské úžině na jihu Itálie. Zjevují se tu prý věže, celé hrady a zámky i se zahradami. Byly zde dokonce pozorovány i vojenská tažení, která probíhala ve skutečnosti někde úplně jinde. Tak to popisoval v roce 1772 dominikán Antonio Minasi. - 11 -
2.8 Zelený záblesk Zelený záblesk je vzácný jev pozorovaný většinou u moře. Bývá pozorovaný jako velmi krátký záblesk většinou smaragdově zeleného světla těsně nad obzorem okamžitě po západu slunce, nebo před východem slunce. Zelený záblesk bývá často vysvětlován astronomickou refrakcí. Není to zcela správné vysvětlení. Astronomická refrakce samotná způsobuje pouze to, že se na horním okraji slunce může objevit velmi tenký zelený proužek. Světlo, které k nám přichází od slunce je složeno z barevného spektra. Paprsky různých barev se lámou pod různými úhly (index lomu závisí na vlnové délce). U vzduchu platí, čím menší je vlnová délka, tím větší je index lomu, tedy i úhel, pod kterým se paprsek láme. Rozdíly mezi indexy lomu těchto paprsků jsou tak malé, že zelený proužek na okraji slunce je velmi tenký a není pouhým okem viditelný. Tímto se dostáváme k otázce, proč není na horním okraji modrofialový proužek? Jak bylo zmíněno výše, záření s krátkými vlnovými délkami se velmi snadno rozptyluje. Proto k nám většinou ani nedorazí. I přesto existují výjimky. Velmi vzácně se může objevit i modrý záblesk. Aby se nám naskytl pohled na modrý záblesk, musí se společně sejít mnoho okolností. Jednou z nich je i podmínka velmi čisté atmosféry, která obsahuje nedostatek částic, na kterých by se mohlo modré světlo rozptylovat. K popsání zeleného záblesku je zapotřebí zrcadlení. Schéma znázorňuje vznik zeleného okraje horní části slunce. Zelené světlo je zakřivováno při průchodu atmosférou víc než červené světlo. Proto je obraz zeleného slunce umístěn trochu výš než obraz červeného slunce. Přímky znázorňující směry, ve kterých se tyto obrazy vytvářejí, jsou tečné ke skutečným paprskům. Zrcadlení způsobuje, že jsou rozdíly mezi barvami spektra zvětšeny. Pokud se zaměříme na spodní zrcadlení, zelený záblesk nastává těsně po západu slunce. V případě horního zrcadlení se při západu slunce deformuje do velmi zajímavých tvarů. Horní část slunce se může oddělit a zeleně zazářit a poté zmizet. - 12 -
3. Vodní kapky Malé vodní kapičky způsobují úkazy, jako jsou například ohybové jevy. Jako iniciátory těchto úkazů si ovšem nesmíme představovat kapky deště, nýbrž kapičky o mnohem menších rozměrech. Jde o kapičky, které se nacházejí v mracích nebo v mlze. Jejich velikosti se pohybují okolo 1 100 mikrometrů. Naopak pro vznik duhy, která nepatří mezi ohybové jevy, jsou nutné větší dešťové kapky. 3.1 Koróna Už na začátku musím upozornit, že si tuto korónu nesmíme plést s korónou, která je jednou z vrstev slunce. Jde o naprosto rozdílné pojmy. Koróna je poměrně častý jev. Bývá pozorována kolem zářících objektů na obloze, tedy kolem slunce nebo kolem měsíce (mnohem známější). Vzniká na základě ohybu slunečních paprsků. Ty se ohýbají nejčastěji na okrajích velmi malých kapek vody, proto korónu vidíme nejčastěji, pokud mezi pozorovatelem a zdrojem světla přechází velmi tenký pás oblačnosti. Každý paprsek, který vidíme, je ohnutý pouze jednou. Celou korónu tvoří soubor takových paprsků. Úhel ohybu je závislý na vlnové délce. Pokud dochází k ohybu na hraně (na okraji kapky), ohýbá se nejméně světlo s kratšími vlnovými délkami (fialová a modrá). Koróna je tvořena aureolou. Ta má bílou až namodralou barvu, na okrajích přechází v červenou. Uprostřed aureoly je situován měsíc, Červeně jsou znázorněné příchozí paprsky, modře ohnuté světlo. případně slunce. Okolo aureoly se nacházejí barevné prstence. Barvy po sobě následují stejně jako ve spektru. Aureolu obepíná vrstva fialové barvy, vně koróny je červený prstenec. Ve skutečnosti nejde o čisté spektrální barvy, nejsou mezi nimi ostré hranice. Barvy na sebe plynule navazují a mísí se. Soubor těchto barevných prstenců může při vhodných podmínkách za sebou následovat až třikrát. Jejich intenzita se ovšem zmenšuje se vzdáleností od aureoly. Vlastnosti koróny taky závisí na rozdílech mezi velikostmi kapek a na jejich samotné velikosti. Pokud mají kapky zhruba stejné velikosti, dochází k případu popsanému výše, kdy se vytvářejí barevné prstence. Pokud jsou ovšem velikosti kapek různé, barvy jsou méně zřetelné nebo úplně splývají v bílé světlo. - 13 -
Velikost kapek ovlivňuje nepřímo velikost koróny. Pokud obsahuje mrak menší kapky, je koróna a šířka prstenců větší a naopak. Světlo se ale nemusí ohýbat pouze na kapkách vody. Iniciátory můžou být i jiné malé částečky, jako je popílek nebo pylové částice. Velmi zajímavým úkazem je pylová koróna. Pylová zrna mají identické velikosti, proto jsou pro vznik koróny vhodné. Rozdíl mezi kapkami vody a pylovými zrny je ve tvaru. Kapky jsou kulovité. Pylová zrna mají speciální vzdušný váček, díky němu se jejich tvar podobá hlavě Mickeyho Mouse. Většina pylových zrn je stejně orientována. Vzniklá koróna je protáhlá a jsou na ní zřetelná zjasnění. 3.2 Irizace oblaků Irizace oblaků se velmi podobá koróně svým vzhledem i tím, jak vzniká. Irizace bývá pozorována, jako tvarově i velikostně nepravidelné barevné pole na okrajích oblaků. Nejčastěji vzniká, pokud je oblak blízko slunečnímu kotouči. Příčina vzniku irizujících oblaků je naprosto stejná jako příčina vzniku koróny. Jde o difrakci světla. Podmínky pro vznik jsou taky velmi podobné podmínkám pro vznik koróny. Vodní kapičky, ze kterých se skládá mrak by měly být poměrně malé a zhruba stejně velké. Podobným případem, jsou perleťové oblaky. Způsobují je oblaky, které se nachází ve výškách asi 20 25 km, tedy až ve stratosféře. Perleťové oblaky jsou pozorovatelné především v polárních oblastech, například ve Skandinávii. Nejvíce vyniknou, pokud je už slunce schované za obzorem. - 14 -
3.3 Mlhová duha Efektem, připomínajícím skutečnou duhu, je mlhová duha. Mlhová duha je kromě absence barev typická tím, že má často větší šířku oblouku než klasická barevná duha. Pokud se na duhu dobře podíváme, dá se rozeznat její načervenalý okraj a namodralý střed. To ovšem nemusí být nutné. Někdy na mlhové duze skutečně není vidět ani náznak jiné barvy než bílé. Nejčastěji bývá mlhová duha pozorovatelná v horských údolích za přítomnosti mlhy nebo v chladné mořské mlze a to v antisolárním bodu. Mlhová duha vzniká podobným způsobem jako klasická duha. Je zde ovšem několik zásadních rozdílů. Kapky vody, na kterých vzniká mlhová duha jsou součástí mlhy. Z toho vyplývá, že jsou mnohem menší než kapky, na kterých vzniká klasická duha. Velikosti kapének mlhy jsou menší než 50 mikrometrů. Světlo se při vstupu do kapky lomí (jde jen o malou část původního světla), odráží se na její vnitřní straně a při výstupu z kapky se opět láme. Úhel, který vstupní a Závislost vzniku mlhové duhy na velikosti kapek. Mlhová duha vzniká při velikostech kapek 50 mikrometrů a míň výstupní paprsky svírají nemusí být konstantní. Proto může být i úhlový rozměr duhy různý, kdežto u klasické duhy je úhlový rozměr stálý, a to asi 42. Postřehnutí takové mlhové duhy není až tak jednoduché, jak se může zdát. Mlhová duha nemusí vznikat vždy, když je mlha. Samozřejmě je nutné aby byla jasná obloha. Hustota a tloušťka mlhy je taky velmi důležitá. Slunce nesmí být vysoko nad obzorem. Nejjasnější části duhy bývají dva její konce, které směřují do země sluneční paprsky zde procházejí největší vrstvou mlhy. Proto se při vhodných podmínkách dívejte do antisolárního bodu a snažte se najít dva konce mlhové duhy. - 15 -
3.4 Gloriola Gloriola je jev, který svým vzhledem velmi připomíná korónu. Je zde však několik zásadních rozdílů. Gloriola se nám jeví jako svatozář, která obklopuje náš stín v mlze. Nejčastěji ji můžeme pozorovat v horách nebo z letadla. V případě pozorování z letadla se gloriola promítne na mracích kolem stínu letadla. Pro vznik glorioly je nutná mlha. Gloriola je tvořena podobně jako koróna několika duhově zbarvenými soustřednými kružnicemi. Její střed není zdaleka tak jasný jako aureola koróny. Barvy kružnic po sobě postupují stejně jako u koróny. Vnitřní kružnice je zbarvena modře a vnější červeně. Za příhodných podmínek je možné pozorovat několikanásobnou gloriolu, podobně jako je tomu u koróny. Výše zmiňovaný zásadní rozdíl spočívá v tom, že gloriola se nachází vždy v antisolárním bodu. Nejvhodnější podmínky pro pozorování glorioly nastávají při východu nebo západu slunce. Gloriola vzniká stejně jako koróna na velmi malých kapičkách vody o stejných velikostech. Pro vznik glorioly je nutné, aby se světlo na kapičkách ohýbalo přesně o 180. To ovšem nelze běžným způsobem (světlo vstupující do vodní kapky se láme, dochází k vnitřnímu odrazu a při výstupu k dalšímu lomu) vysvětlit. Takto chybí světlu ještě asi 14,4 k dokonání úplného obratu. K vysvětlení tohoto jevu je nutné využít efekt povrchového vlnění. Při vstupu světla do vodní kapky dochází na rozhraní kapky a vzduchu k mírnému zpoždění refrakce. Světlo velmi krátkou dobu putuje po rozhraní a až potom se láme dovnitř kapky. Stejně tomu je i při následujícím odrazu a další refrakci při výstupu. Ve skutečnosti je dráha, kterou světlo urazí na rozhraní velmi malá. Při rozměrech kapky kolem 10 mikrometrů je to míň než 1 mikrometr. Viditelnost a velikost glorioly závisí na rozměrech kapek. Pokud mají všechny kapky stejnou velikost může být gloriola dobře viditelná. Často se stává, že gloriola má až 4 soustavy prstenců. Menší kapky způsobují větší glorioly, naopak velké kapky mají na svědomí menší glorioly. Speciálním případem glorioly je takzvané Brockenské strašidlo. Bývá pozorováno nejčastěji na vrcholcích hor. Slunce je nízko nad obzorem, tím pádem se vytváří velmi dlouhé stíny bizardních tvarů. Vrstva oblačnosti bývá pod pozorovatelem. Ke vzniku glorioly potom ještě přispívá všudypřítomná mlha. Tento jev je pojmenován podle německé hory Brocken, kde jsou podobné podmínky velmi často. - 16 - V horní části schématu můžeme vidět, že v případě normálního lomu a odrazu není možně, aby se paprsky vracely přesně opačným směrem. Při vysvětlení pomocí povrchového vlnění to ovšem možné je.
3.5 Heiligenschein Heiligenschein nebo taky česky svatozář je poměrně častý jev. Nejlépe pozorovatelný při východu slunce na zarosené trávě. Nepleťme si Heiligenschein s gloriolou. U heiligenschein nejsou žádné barevné prstence. Jde o bílou zář v okolí stínu hlavy pozorovatele. Příčinou vzniku heiligenschein jsou vodní kapky, které ulpěly na listech trávy. Kapky se ovšem povrchu listů nedotýkají. Jsou zachyceny na krátkých chloupcích, které mají listy na povrchu. Heiligenschein není nijak významně omezen velikostí kapek. Při vstupu světla do kapky a při jeho následujícím výstupu dochází ke dvěma lomům. Kapka tedy působí jako čočka. Soustřeďuje světlo do jednoho místa na povrchu listu. Světlo je posléze zpětně rozptýleno (odraženo) směrem k pozorovateli. Na obrázku vidíme lom paprsků světla a následné zaostření světla do jednoho místa. - 17 -
4. Duhy Duhy jsou velmi zajímavý, rozsáhlý, poměrně komplikovaný a nejspíš neznámější optický jev, u kterého si lidé uvědomují, že jde skutečně o optický jev. Také proto jim bude věnováno samostatné téma. Duhy jsou vždy spojeny s deštěm, ale ten nemusí být podmínkou jejich vzniku. Duhy se dají pozorovat například na kapkách, které rozpráší vodopád nebo vodotrysk. 4.1 Primární duha Jak jistě všichni víme, duha vzniká nejčastěji po dešti. V atmosféře jsou stále kapky deště a slunce už svítí. Méně lidí možná ví, že pro vznik duhy je ještě nutné, aby se slunce nacházelo maximálně 42 nad obzorem, jinak duha nevzniká. Střed duhy je umístěn v antisolárním bodu, nejčastěji tedy pod obzorem. Okraj duhy je tvořen barevnými pásy. Vnitřní pás má fialovou barvu, vnější má červenou barvu. Barvy těchto pásů bývají popisovány jako červená, oranžová, žlutá, zelená, modrá, indigo a fialová. Ve skutečnosti není žádný barevný pás tvořen čistou spektrální barvou. Každý odstín duhy je znečištěn jinou barvou. Spektrální barvy na sebe plynule navazují. Pokud se pozorně podíváme na celý duhový oblouk, můžeme pozorovat zřetelné zjasnění oblohy uvnitř oblouku. Světlo není totiž směřováno pouze do okrajových oblastí duhy, ale do celého disku. Blíže ke středu duhy spolu už všechny barvy splývají a výsledkem je tedy bílá. V místě, které svírá s příchozími paprsky 42, je koncentrace výstupního záření největší. Pro vznik duhy jsou potřebné relativně velké kapky vody, které odpovídají dešťovým kapkám. Na vzniku duhy se uplatňuje lom a vnitřní odraz světla. Světlo se při vstupu do kapky láme, odráží se na její vnitřní straně a poté se při výstupu opět láme. Největší intenzitu mají výstupní paprsky, které svírají se vstupními paprsky úhel 40-42. Při prvním lomu se bílé světlo rozkládá na spektrální barvy. Světla různých vlnových délek mají různé indexy lomu, proto jsou i úhly, pod kterými se lámou různé. Nejvíce se láme modré světlo, naopak nejméně červené. To ovšem neodpovídá pořadí barev v primární duze. Při odrazu na zadní straně kapky se spektrum převrací. Potom dojde k dalšímu lomu, ten už na otočení barev nemá vliv. - 18 - Na tomto grafu dobře vidíme oblasti, kde mají barvy spektra nejvyšší intenzitu. Schéma naznačuje vznik barevného uspořádání duhy.
duhy těsně nad obzorem. Speciálním případem je pozorovatel stojící na vyvýšeném místě nebo pozorovatel letící letadlem. Tehdy je možné vidět více než polovinu duhy nebo dokonce celou duhu. Ve skutečnosti tvoří duhu celý kruh. My vidíme pouze její část, protože zbytek nám mizí za obzorem. Úhlový poloměr duhy je vždy 42. Velikost viditelné duhy je ovšem proměnlivá. Pokud je slunce těsně nad obzorem, je viditelný celý půlkruh. Pokud se slunce nachází na hranici 42 nad obzorem, vidíme krátký pás 4.2 Sekundární duha Za dobrých podmínek můžeme okolo primární duhy pozorovat ještě další duhu. Tato sekundární duha má úhlový poloměr 51, barevný pás je nápadně širší a méně jasný než u primární duhy. Na vnitřní straně sekundární duhy je červený pás a na straně vnější pás fialový. Jde o přesně opačné uspořádání, než je tomu u primární duhy. Ne všechny paprsky vstupující do vodní kapky se odrážejí jen jednou. Sekundární duhu způsobují paprsky, které se odrazili na vnitřní straně kapky dvakrát. V takovém případě je největší intenzita výstupních paprsků v místě, které svírá s příchozími paprsky úhel 51. V důsledku dvou odrazů se taky vysvětluje opačný sled barev, protože spektrum se převrátilo dvakrát. Díky dvěma odrazům dostávají paprsky prostor, aby se od sebe více odchýlily. Tím se vysvětluje i větší šířka barevného pásu sekundární duhy ve srovnání s primární duhou. Na schématu lze vidět, že se paprsky na vnitřní straně kapky odrazily dvakrát. Díky dvěma odrazům se vzdálenosti mezi spektrálními barvami zvětšují. - 19 -
4.3 Alexandrův oblouk Alexandrův oblouk je úzce spjat se vznikem primární a sekundární duhy. Při pozorování primární a sekundární duhy si můžeme všimnout tmavého prostoru mezi nimi, který se nazývá Alexandrův oblouk. Ve skutečnosti není oblast mezi duhami nijak ztmavena. Paprsky, které se odrážejí uvnitř kapky jednou se soustřeďují do primárního oblouku a dovnitř tohoto oblouku. Naopak paprsky, které se odrážejí uvnitř kapky dvakrát, jsou soustředěny do sekundárního oblouku a vně tohoto oblouku. Prostor mezi primární a sekundární duhou se nám zdá tedy tmavší než nejbližší okolí. 4.4 Duhy vyšších řádů Neexistuje žádné pravidlo, podle kterého by se paprsky mohly v kapkách vody odrážet pouze jednou nebo dvakrát. Duhy by mohly vznikat až po šesti vnitřních odrazech. Ve skutečnosti byla doložena pouze pozorování duh primárních, sekundárních a duh, které vznikají bez vnitřního odrazu v kapce. U duh vyšších řádů dochází k výraznému zeslabování intenzity jasnosti a jsou vždy Podle tohoto schématu si můžeme dobře představit možný průběh paprsků uvnitř kapek. širší. Duhy třetího, čtvrtého a nultého řádu obklopují sluneční kotouč. Jejich jasnost dosahuje zhruba čtvrtinu jasnosti primární duhy. Tím pádem by ji naše oko mohlo zachytit. Problém je ovšem ve zbylých slunečních paprscích, které znemožňují pozorování detailů ve svém okolí. Zvláštním případem je záře kolem slunce, která vzniká pouhým průchodem paprsků přes kapky vody. Světlo se uvnitř neodráží, jen se dvakrát láme. V takovém případě nevzniká pravidelný oblouk jako u primární nebo sekundární duhy, přesto tento jev mezi duhy řadíme, protože vzniká na základě stejného mechanismu. Duhy pátého a šestého řádu jsou situovány okolo antisolárního bodu. U duhy pátého řádu existuje největší pravděpodobnost vyfotografování. Její úhlový poloměr je jen o něco větší než úhlový poloměr sekundární duhy. Zelený pás duhy pátého řádu je tím pádem situován v Alexandrově pásu. - 20 -
4.5 Podružné oblouky Na vnitřní části duhového oblouku primární duhy se můžou za dobrých podmínek objevit takzvané podružné oblouky. Tyto oblouky narušují klasický sled barev duhy. Vidíme více pásů zelené a fialové barvy, které se střídají. Ve skutečnosti to není jen zelená a fialová, ale tyto barvy jsou nejvýraznější. Podružné oblouky vznikají, pokud světlo prochází kapkami o menší velikosti. K vysvětlení tohoto jevu je potřeba využít vlnové charakteristiky světla. Pokud do kapky vstupují paralelně dva paprsky, nejsou jejich dráhy uvnitř kapky stejné. Pokud se zaměříme na vlnovou charakteristiku těchto paprsků, všimneme si, že jsou jakoby posunuté. Jsou v různých fázích. Potom dochází k destruktivním a konstruktivním interferencím. Podružné oblouky bývají vzácně pozorovatelné i u sekundárních duh. Příklad vzniku fázového posunu. 4.6 Reflexní duha Reflexní duha je velmi zajímavý jev. Pokud máme štěstí, je možné pozorovat až čtyři duhy naráz. Primární duha, primární reflexní duha, sekundární duha a sekundární reflexní duha. Primární reflexní duha je samozřejmě mnohem méně výrazná než primární duha. Abychom tento jev mohli pozorovat, je nutné, aby mezi pozorovatelem a sluncem byla větší vodní plocha, na které by se mohly příchozí sluneční paprsky odrážet. Odražené sluneční paprsky se stejně jako paprsky, které přišly přímo, lámou a odrážejí na kapkách vody. Odražené paprsky k nám přicházejí ovšem pod jiným úhlem než paprsky, které přišly přímo. Proto je reflexní duha vždy větší než klasická duha. Paprsky, které se odrážejí na vodní ploše za pozorovatelem se lámou a odrážejí v kapkách deště a taky vytvářejí duhu. Jde o reflexní duhu. - 21 -
4.7 Další duhy Kromě výše popsaných jevů existují i mnohé další. Může jít i o různé kombinace duhy a dalších optických efektů. Patří sem například jev, který vzdáleně připomíná kolo. Jde o kombinaci duhy a antikrepuskulární paprsků, ty se nacházejí ve vnitřním prostoru duhy a připomínají výplet kola.. Dalším jevem je kombinace klasické duhy a duhy v rozprášené mořské vodě. Tyto duhy spolu nesouvisí, ale je na nich dobře pozorovatelné, že mořská a sladká voda lámou světlo různě. Velmi zajímavým úkazem je takzvaná rozdvojená duha. Ve vyšší části duhy se oblouk rozdvojuje a potom se opět spojuje. Tento jev není v současnosti nijak vysvětlen. Předpokládá se ovšem, že za ním stojí větší dešťové kapky, které nemají sférický tvar a jsou zploštělé. Vzácným případem je měsíční duha. Ta vzniká v podstatě úplně stejně jako klasická duha. Měsíční světlo je mnohem méně intenzivní, měsíc musí být v úplňku, musí být do 42 nad obzorem a ještě k tomu je nutné aby na opačné straně oblohy pršelo. Proto je měsíční duha natolik vzácná. - 22 -
5. Halové jevy Halové jevy jsou jedny z nejhezčích a nejzajímavějších jevů celé atmosférické optiky. Halové jevy bývají pozorovány ve všech oblastech na zemi od tropů až k polárním oblastem. Jejich vznik je podmíněný přítomností ledových krystalků v atmosféře a samozřejmě zdrojem světla, čímž je nejčastěji slunce. Halové jevy se objevují v okolí slunce. Některé halové jevy jsou poměrně běžné, jiné zase velmi vzácné. Existují i takové, které byly předpovězeny a jejichž pozorování ještě nebylo nijak doloženo. 5.1 Ledové krystaly Halové jevy vznikají díky ledovým krystalům. Ty bývají nejčastěji jako ledový závoj ve vyšších vrstvách atmosféry, ve výškách 5 až 10 kilometrů. Jsou často součástí oblaků typu cirrostratus. V těchto vrstvách atmosféry je neustále velmi nízká teplota, proto se voda vyskytuje ve formě ledových krystalů. Krystaly jsou velmi symetrické. Jejich vnější velikosti se mohou lišit. Důležité jsou však jejich identické vnitřní úhly. Tato symetrie je způsobena pravidelným vnitřním uspořádáním molekul do krystalové mřížky. Molekuly ledu jsou hexagonálně orientované proto jsou krystalky ve většině případu šestiboké. Můžou to být destičky nebo vyšší sloupky. 5.2 Orientace krystalů Krystalky ledu pomalu klesají směrem dolů. Při klesání bývají různé druhy krystalů různě orientovány. Na halové jevy mají vliv každé sebemenší odchylky. Krystalky tvaru šestibokých destiček klesají velmi pomalu. Jejich podstavy jsou orientovány horizontálně a boční stěny vertikálně. Při tomto klesání může dojít k rotaci kolem osy, která prochází středy podstav. Všechny krystaly celé soustavy bývají nejčastěji ve velmi podobných pozicích. Při pohybu destiček dochází k malým odchylkám osy od svislého směru. Nejkvalitnější halové jevy vznikají, pokud nedochází k žádným odchylkám a všechny krystaly jsou orientovány shodně. Podobně jako šestiboké destičky i šestiboké sloupky klesají Čárkovaně je vyznačena hlavní osa, zakřivená šipka znázorňuje možnou rotaci. pomalu dolů. Jejich podstavy jsou orientovány vertikálně. Osa c těchto krystalů, která prochází středy obou podstav je tedy orientována horizontálně. U těchto krystalů je významná ještě druhá osa, která je na hlavní osu c kolmá. Krystalky můžou opět rotovat kolem obou z těchto os.nejčastěji bývají sloupky stejně jako destičky v podobných pozicích. I zde je jen minimální odchylka patrná. Podobné schéma jako v předchozím případě. - 23 -
Parryho orientace je speciální případ orientace šestibokých sloupků, kdy jsou dvě boční stěny horizontálně zarovnané. podstav. Druhá osa prochází dvěma protějšími hranami bočních stěn a je rovnoběžná s podstavami. Polohy krystalu můžou být různé vlivem rotací kolem obou os. Halové jevy, které vznikají na základě Lowitzovy orientace krystalů jsou velmi vzácné, proto byly dlouho považovány za nemožné. Poslední z možností je nepravidelné uspořádání Další možností je Parryho orientace krystalů. Jde vlastně o speciální případ šestibokých sloupků. Je taky samozřejmě mnohem vzácnější než předchozí orientace. V Parryho poloze se krystal nachází, pokud jsou dvě jeho boční stěny orientovány vodorovně. V takovém případě může docházet k rotacím pouze kolem vertikální osy. Lowitzova orientace je možná u destiček i sloupků. Jsou zde důležité dvě osy. Jednou z nich je vertikální osa. Od té je krystal odkloněn, proto neprochází středy jeho Velmi vzácná Lowitzova orientace je jednoduše případ, kdy nejsou podstavy krystalu zarovnány v horizontálním směru. krystalů. Například kruhová hala vznikají mnohem lépe na náhodně orientovaných krystalech. Nepravidelnosti chápeme jako odchylky od rovnovážného stavu celé soustavy krystalů. 5.3 Stěny krystalů K tomu abychom mohli lépe popisovat procesy při vzniku halových jevů, byl zaveden řád v popisování stěn krystalů. Stěny jsou očíslovány. Podstavy všech druhů krystalů mají čísla 1 a 2. Boční stěny jsou popisovány čísly 3 až 8. Vrchní podstava destiček má číslo 1. Například cirkumzenitální oblouk vzniká, pokud paprsky procházejí stěnami 1 a 3, Jejich dráha se tedy značí jako dráha 13. Samozřejmě je tato dráha s dráhami 14,15,16,17 a 18 shodná, k označování se ovšem používá vždy nejnižší číslo. 5.4 Časté halové jevy Halové jevy, které patří do této skupiny nejsou nijak vzácné. Jsou dokonce mnohem častější než duha. Všechny jsou způsobeny na základě odrazu nebo lomu světla na šestibokých ledových krystalcích. Díky lomu světla můžou mít některé z halových jevů barevný nádech. V takovém případě je vždy červená barva nejblíže ke slunci. - 24 -
Malé halo (22 halo) - Malé halo je nejčastější ze všech halových jevů. Někdy se uvádí, že bývá viditelné až 200 dnů v roce. Nejčastěji vypadá jako bílý prstenec okolo slunce. Jeho úhlový poloměr je vždy 22. Malé halo může mít díky disperzi světla vnitřní část prstence načervenalou a vnější namodralou. Malé halo vzniká lomem na šestibokých sloupcích. Světlo prochází dvěma stěnami, které spolu svírají úhel 60. Láme se dvakrát, při vstupu do krystalu a taky při výstupu. Světlo může vstupovat do krystalu v různých místech stěny a taky pod různými úhly. V závislosti na místě vstupu a úhlu vstupujících paprsků světla se mění i odchylka výstupních paprsků světla vzhledem ke vstupním paprskům. Znázornění průchodu paprsku přes krystal. Největší koncentrace výstupního světla je v místě, které svírá s příchozími paprsky asi 22, tedy v místě minimální odchylky. Paprsky s minimální odchylkou jsou rovnoběžné se dvěma bočními stěnami krystalu. Ostatní světlo má větší odchylku, která dosahuje až 50. Paprsky s menší odchylkou než 22 z krystalu nevystupují. Proto se často jeví vnitřní část malého hala tmavší než vnější část. Celé halo ovšem není tvořeno jen jedním krystalem, který k nám posílá světlo. Těchto krystalů jsou ve vysoké oblačnosti miliardy, ale jen některé z náhodně uspořádané soustavy mají vhodnou pozici k tomu, aby mohly vytvořit malé halo. Tělesová osa těchto krystalů musí být kolmá k příchozím paprskům. Halo na které se díváme z různých pozic je tvořeno různými krystaly. Schéma ukazuje tři z mnoha možností lomu paprsků. Podstatné je, že v každém případě není odchylka výstupních a vstupních paprsků větší než 22. - 25 -
Parhelia - Parhelia jsou společně s malým halem nejčastější ze všech halových jevů. Někdy se parheliím říká vedlejší slunce nebo paslunce. Parhelia se objevují jako dvě jasné skvrny vedle slunce. Bývají často duhově zbarvena. Jejich vzdálenost od slunce je proměnná. Nejblíže bývají, pokud je slunce těsně nad obzorem. V takovém případě je jejich vzdálenost 22 a často se stává, že bývají vidět společně s malým halem. Pokud slunce stoupá výše nad obzor, vzdálenost parhelií se zvětšuje. Parhelia vznikají lomem na šestibokých destičkách. Světlo se na nich dvakrát láme podobně jako u malého hala. Výsledným efektem ovšem není halo, ale parhelia. Zásadní rozdíl je v tom, že šestiboké destičky jsou uspořádány pravidelně s horizontálně orientovanými podstavami. Zajímavým případem je jev, který připomíná část duhy. Ve skutečnosti nejde o duhu, ale o parhelium velkých rozměrů, které vzniká na takzvaném diamantovém prachu. Jednoduché znázornění vzniku parhelií. Průchod světla krystaly je velmi podobný průchodu světla krystaly u malého hala. Diamantový prach jsou krystalky ledu, jsou v těsné blízkosti pozorovatele, tedy krystalky, které jsou těsně nad povrchem země. Parhelium může dosahovat velmi velkých rozměrů, protože se krystaly při klesání můžou pravidelně vychylovat od horizontálního zarovnání. Tangenciální oblouk - Další z poměrně častých halových jevů je tangenciální oblouk. Může vypadat jako zjasnění v oblasti malého hala směrem nad sluncem nebo pod sluncem. Za dobrých podmínek lze dobře rozeznat jeho tvar. Je zde často pozorovatelné i spektrální zbarvení. Pokud je slunce níž než 22 nad obzorem, můžeme vidět pouze horní tangenciální oblouk. Ten má tvar písmena V. Když slunce stoupá výš nad obzor, oblouk se rozevírá. Paralelně s ním se rozevírá i spodní oblouk. Ve výšce asi 30 nad obzorem dochází ke spojení obou oblouků do oválu. Boční časti tohoto oválu jsou ovšem velmi špatně vidět. Konečně ve výšce asi 55 tangenciální oblouky přilehnou k malému halu natolik, že se už nelze halo a tangenciální oblouky rozeznat. Horní i dolní tangenciální oblouk se vždy dotýká malého hala, proto bývá někdy nazýván jako dotykový oblouk. - 26 -
Jednoduché znázornění průchodu paprsků, které způsobují horní i spodní tangenciální oblouk. Tangenciální oblouk vzniká lomem světla na šestibokých sloupcích. Podobně jako u malého hala prochází světlo dvěma bočními stěnami, které spolu svírají úhel 60. Zásadní rozdíl je v tom, že zde jsou krystaly orientovány pravidelně. Osa která prochází středy podstav je ve vodorovném směru. Halový sloup - Halový sloup vypadá jako pruh světla procházející sluncem. Nejčastěji vidíme horní část halového sloupu při východu nebo západu slunce. Sloup se nám může jevit ještě jasnější, pokud je slunce pod obzorem a jeho přímé světlo nás neoslňuje. Mnohem vzácněji můžeme vidět spodní část halového sloupu. A to pokud je slunce nízko nad obzorem a je zastíněno oblačností. Další možností je pozorování z hor nebo z letadla. Příčinou vzniku halového sloupu jsou šestiboké destičky s horizontálně orientovanými podstavami. Horní halový sloup vzniká, když Světlo, které vytváří halové se světlo přicházející od slunce odráží na spodních podstavách sloupy se odráží na destiček. Naopak spodní halový sloup vzniká, když se světlo podstavách šestibokých odráží na horních podstavách destiček. destiček. Méně časté jsou případy vzniku halového sloupu na bočních stěnách šestibokých sloupků nebo halové sloupy způsobené diamantovým prachem. Vzhled halového sloupu závisí taky na výše slunce nad obzorem. Pokud je slunce vysoko, horní část sloupu je špatně pozorovatelná, protože v takovém případě k nám dorazí pouze světlo od výrazně vychýlených krystalů, kterých není mnoho. Horní část halového sloupu bývá viditelná, pokud je slunce do 6 nad obzorem. Při nižších polohách je sloup jasnější. Cirkumzenitální oblouk - Cirkumzenitální oblouk už není tak častý jako předchozí jevy. Vypadá jako duhový oblouk vysoko nad sluncem. Středem tohoto oblouku je zenit. Jeho barvy jsou dokonce čistší než barvy duhy. Patří mezi nejhezčí ze všech halových jevů. Pro svoji výšku nad sluncem si ho často lidé ani nevšimnou. Vzniká za stejných podmínek jako parhelia. Pro jeho vznik jsou nutné šestiboké destičky s horizontálně orientovanými podstavami. - 27 -
Světlo prochází horní podstavou krystalu, láme se a poté ještě projde boční stěnou a opět se láme. Tyto stěny spolu svírají 90, disperze světla je zde proto velmi výrazná. Tvar a velikost cirkumzenitálního oblouku závisí na výšce slunce nad obzorem. Pokud je slunce výš, oblouk je menší a méně výrazný. S výškou 32 nad obzorem mizí. Schéma ukazuje vznik cirkumzenitálního oblouku. Všimněme si, že dochází k výrazné disperzi. Parhelický kruh - Parhelický kruh patří taky k vzácnějším jevům. Jak už název napovídá, jde o tenký bílý kruh obepínající oblohu ve výšce slunce. Častěji se dají pozorovat pouze části tohoto kruhu. Parhelický kruh vzniká odrazem světla na svislých stěnách krystalů. U šestibokých destiček to jsou tedy boční stěny a u sloupků podstavy. 5.5 Neobvyklé halové jevy Do této skupiny řadíme halové jevy, které nemůžeme pozorovat na oboze často. Některé se nám objeví jen jednou za rok. Na jiné si zase musíme počkat mnohem déle, protože jejich pozorování se naskytne průměrně jednou za život. A taky proto se nabízí otázka. Proč jsou tyto halové jevy vlastně neobvyklé? Důvodů je hned několik. Pro tvorbu kvalitních halových jevů je nutné, aby byly krystaly co nejdokonalejší, tedy bez výraznějších defektů. Dalším důvodem je ve většině případů nutnost velmi přesného uspořádání. Krystalů, které splňují oba předpoklady současně, není mnoho. U větších krystalů je sice pravděpodobné, že budou pravidelně uspořádány, ale právě takové krystaly jsou nejčastěji postihovány různými nepravidelnostmi a defekty. Velké halo (46 halo) - Velké halo má úhlový poloměr 46. Ve středu velkého hala je vždy umístěno slunce. Je tedy zhruba dvakrát větší než malé halo. Taky proto dochází často k záměně s jinými halovými jevy, které jsou ve stejné vzdálenosti od slunce. Samotný prstenec velkého hala je širší a méně jasný než prstenec malého hala. Velké halo vzniká dvojím lomem na náhodné orientovaných šestibokých sloupcích. Paprsky prochází boční stěnou a podstavou. Jejich minimální odchylka je 46. Velké množství paprsků svírá s původním směrem větší úhel, proto je prstenec velkého hala větší. Velké halo vzniká, když se paprsky lámou na boční straně a jedné z podstav krystalu. - 28 -
Supra/infralaterální oblouky - Supralaterální a infralaterální oblouky jsou výrazně duhové zbarvené, většinou bývají pozorovatelné pouze jejich části. Vznikají dvojím lomem na pravidelně orientovaných šestibokých sloupcích s horizontálně orientovanou hlavní osou. Paprsky procházejí boční stěnou a podstavou. Tvar oblouků je závislý na výšce slunce nad obzorem. Objevují se pouze pokud je slunce do 32 nad obzorem. Často může dojít k záměně supralaterálního oblouku s částí velkého hala. Parryho oblouk - Parryho oblouk patří mezi velmi vzácné jevy. Jde o oblouk, který částečně obepíná shora malé halo. Proto by se mohl lehce zaměnit za fragment některé ze vzácných hal vznikajících na pyramidových krystalcích. Další možností je oblouk ve tvaru písmena V, který směřuje přímo ke slunci, pokud si ho představíme jako šipku. Parryho oblouk vzniká podobným způsobem jako tangenciální oblouk, ovšem s tím rozdílem, že jsou zde nutné krystaly s Parryho orientací. Parryho oblouk vzniká podobným způsobem jako tangenciální oblouk. Lowitzovy oblouky - Jde o skutečnou raritu. Lowitzovy oblouky byly nejvíce diskutovanou a nejspornější otázkou halových jevů. Základem je oblouk směřující od malého hala k parheliu. Ve skutečnosti je velmi špatně pozorovatelný. Vzniká průchodem dvou bočních stěn šestibokých destiček. Stěny, kterými prochází spolu svírají úhel 60 a krystaly mají Lowitzovu orientaci. Velmi nenápadný Lowitzův oblouk může vypadat jako vypuklá oblast v horní části malého hala. - 29 -
120 Parhelia - 120 Parhelium je mnohem méně výrazně než boční slunce. Bývá ve stejné výšce nad obzorem jako slunce a jeho vzdálenost od slunce je vždy 120. Vzniká několikanásobným odrazem paprsků na vnitřních stěnách šestibokých destiček. Cirkumhorizontální oblouk - Tento oblouk patří mezi velmi krásně zbarvené jevy. Jde o široký pás, který se rozpíná rovnoběžně a velmi blízko horizontu. Bývá hluboko pod sluncem, proto ho můžeme pozorovat jen v případech, kdy slunce vystupuje vysoko nad obzor, více než 58. Vzniká na šestibokých destičkách. Paprsek vchází vertikálně orientovanou boční stěnou a vystupuje horizontálně orientovanou podstavou. Tyto stěny spolu svírají 90 dochází tedy k silné disperzi světla. Ostatní jevy - Mezi ostatní optické jevy patří například subhorizontální úkazy, které vznikají po vnitřním odrazu světla na spodních stěnách krystalů. Nejčastěji můžou být pozorovány z hor nebo z letadla. Dalšími jevy můžou být případy lomů a odrazů na pyramidových krystalech. Jde především o hala různých poloměrů. 5.6 Shrnutí Možná už víte o každém halovém jevu nějaké zajímavé poznatky a rádi byste viděli i skutečné halové jevy na obloze. Proto přidávám výsledek animace z programu HaloSim. Tento celkový přehled by měl zlepšit orientaci na obloze při hledání halových jevů. Souhrnný pohled na časté halové jevy by měl zlepšit orientaci na obloze. - 30 -
6. Závěr V závěru uvedu některé základní poznatky, u kterých bychom si měli uvědomit, že nás všude provázejí a jsou skryty za tak všedními jevy, jako jsou například duhy nebo soumrakové jevy. V další části jsou odkazy na zajímavé prameny, ze kterých jsem čerpal. 6.1 Základní poznatky Pokusím se zde stručně popsat některé ze základních optických pojmů, které nás celou prací provázely. V prvé řadě jsme se často setkávali s pojmem perspektiva. V podstatě jde o to, že vzdálenější předměty se nám jeví menší než předměty, které jsou k nám blíž. To znamená, že například třímetrový sloup, od kterého stojíme 10 metrů se nám zdá mnohem vyšší, než stejný sloup, který je od nás vzdálen půl kilometru. Dalším základním pojmem je odraz. Zde stačí snad jen podotknout, že odraz vzniká na rozhraní dvou prostředí a úhel dopadu a odrazu je shodný. Nesmím taky opomenout rozptyl světla. Rozptyl spočívá v tom, že foton je pohlcen malou částicí nebo molekulou a okamžitě je vyzářen v libovolném směru. Platí zde velmi důležitý fakt, že u částic s mnohem menší velikostí než je vlnová délka světla, je nejvíce rozptylováno záření s kratší vlnovou délkou. Intenzita rozptylu je nepřímo úměrná vlnové délce, přesněji čtvrté mocnině vlnové délky. U zrcadlení nebo zeleného blesku nám k vysvětlení velmi pomohl lom světla. Základem je, že se světlo při přechodu přes hranici opticky různých prostředí láme vzniká odchylka od původního směru. Jednoduše se dá říct, že se světlo vždy láme směrem k opticky hustšímu prostředí. Důležitým pojmem je i difrakce, neboli ohyb světla. Setkáváme se s ní, pokud se světlo dostává do kontaktu s malou překážkou, jako je například hrana nebo štěrbina o šířce blížící se vlnové délce světla. Interference, další ze základních pojmů je v podstatě jednoduchý jev. Interferencí rozumíme skládání dvou nebo více vln. - 31 -