OPTICKÉ JEVY V PŘÍRODĚ

Masarykova Univerzita, Lékařská fakulta

OPTICKÉ JEVY V PŘÍRODĚ Bakalářská práce

Vedoucí bakalářské práce:

Autor práce: Linda Synaková

Doc.MUDr.Svatopluk Synek, CSc.

Studijní obor: Optika - optometrie

Brno, duben 2006 1

Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci zpracovala samostatně a použila

jen literaturu uvedenou v seznamu literatury, který je v práci uveden.

Souhlasím, aby práce byla uložena na Masarykově univerzitě v Brně

v knihovně Lékařské fakulty a byla zpřístupněna studijním účelům.

............................................................... podpis

2

OBSAH:

ÚVOD:......................................................................................................................... 6 1

2 3

4

5

6

ODRAZ A LOM SVĚTLA ..................................................................................... 9

1.1 1.2

Odraz............................................................................................................ 9

Lom............................................................................................................... 9

INDEX LOMU SVĚTLA...................................................................................... 10

DIFRAKCE A INTERFERENCE ........................................................................ 11

3.1

Difrakce světla ............................................................................................ 12

3.2

Interference ................................................................................................ 13

3.1.1

Rozdělení difrakce............................................................................... 12

3.2.1

Rozdělení interference: ....................................................................... 13

TRAJEKTORIE SVĚTELNÝCH PAPRSKŮ V ATMOSFÉŘE............................. 14

4.1 4.2

Astronomická refrakce ................................................................................ 15 Teerestrická refrakce.................................................................................. 16

DUHA................................................................................................................. 17

5.1

Charakteristika duhy ................................................................................... 17

5.1.1

OHYBOVÉ JEVY ............................................................................................... 21

6.1

Koróna ........................................................................................................ 21

6.2

Glórie .......................................................................................................... 22

6.1.1

Vznik.................................................................................................... 21

6.2.1

Vznik.................................................................................................... 22

6.2.2

7 8

6.3

Výskyt .................................................................................................. 22

Irizace ......................................................................................................... 23

PERLEŤOVÁ OBLAKA ...................................................................................... 23

STŘÍBŘITÉ OBLAKY......................................................................................... 24

8.1.1

Výskyt .................................................................................................. 24

8.1.3

Vznik.................................................................................................... 24

8.1.2

9

Vznik.................................................................................................... 19

Vzhled ................................................................................................. 24

HALOVÉ JEVY .................................................................................................. 26

9.1

Malé halo (22°) ........................................................................................... 27

9.3

Parhelický kruh (kruh vedlejších sluncí, horizontální kruh) ......................... 29

9.2

Velké halo (460) .......................................................................................... 28

3

9.4

Vedlejší slunce (Parhelia) ........................................................................... 29

9.6

Dotykový oblouk malého hala (tečný, tangenciální oblouk) ........................ 30

9.7

Dotykové oblouky velkého hala .................................................................. 31

9.9

Circumzenitální oblouk ............................................................................... 32

9.5

1200 parhelium ............................................................................................ 30

9.6.1

9.8

Vznik.................................................................................................... 30

Halový sloup ............................................................................................... 31

9.10

Lowitzovy oblouky....................................................................................... 33

9.12

Parryho oblouk............................................................................................ 34

9.11

10

10.1 10.2

10.3 10.4 10.5

Protislunce.................................................................................................. 33

SOUMRAKOVÉ JEVY.................................................................................... 34

Soumrak ..................................................................................................... 35 Soumrakový oblouk .................................................................................... 35

Červánky .................................................................................................... 36

Krepuskulární (soumrakové) paprsky ......................................................... 37 Zelený paprsek ........................................................................................... 38

10.5.1

10.6 10.7

11

11.1 11.2 11.3

Princip ................................................................................................. 38

Fialová záře ................................................................................................ 39

Zdánlivé zvětšení Slunečního nebo Měsíčního disku ................................. 39

JEVY PODMÍNĚNÉ ATMOSFÉRICKOU REFRAKCÍ .................................... 40 Zvednutí obzoru.......................................................................................... 40

Snížení obzoru............................................................................................ 41 Zrcadlení v atmosféře ................................................................................. 41

11.3.1 11.3.2

Spodní zrcadlení.................................................................................. 42 Svrchní zrcadlení................................................................................. 42

11.4

Prodloužení trvání dne................................................................................ 43

11.6

Mihotání vzdálených zdrojů světla.............................................................. 44

11.5

12

12.1

Změna tvaru slunečního a měsíčního kotouče v blízkosti obzoru............... 44

OSTATNÍ OPTICKÉ ÚKAZY .......................................................................... 44 Polární záře ................................................................................................ 44

12.1.1

Charakteristika..................................................................................... 44

12.1.3

Výskyt .................................................................................................. 45

12.1.2 12.2

Vznik.................................................................................................... 44

Blesky ......................................................................................................... 46 4

12.2.1

Vznik blesku ........................................................................................ 48

12.3

Eliášův oheň ............................................................................................... 48

12.5

Bishopův kruh............................................................................................. 49

12.4 12.6

Tyndallův jev............................................................................................... 49 Meteory....................................................................................................... 50

ZÁVĚR ......………………………………………………...………………………….....52

SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY...…………………………………………………..53

5

Obr. 1

SEZNAM OBRÁZKŮ:

Obr. 2

Odraz a lom světla........................................................................................ 9 Youngův pokus; ze zdroje koherentního světla (otvor S) se šíří světlo všemi

směry, dopadá na štěrbiny S1, S2 v malé vzdálenosti od sebe; na vzdáleném stínítku

pozorujeme výsledný jev........................................................................................... 11 Obr. 3

Fraunhoferův ohyb...................................................................................... 13

Obr. 5

Vznik astronomické refrakce (Pozorovatel (P) sleduje např. určitou hvězdu,

Obr. 4

Fresnelův ohyb ........................................................................................... 13

která by se při neexistenci lomu světelných paprsků v atmosféře nacházela na

nebeské klenbě v bodě A. Díky lomu paprsku v atmosféře vnímá pozorovatel hvězdu

v bodě A’).................................................................................................................. 15 Obr. 6

Primární a sekundární duha ....................................................................... 19

Obr. 8

Lom paprsku u sekundární duhy................................................................. 20

Obr. 7 Obr. 9

Lom světelného paprsku vytvářejícího primární duhový oblouk ................. 19 Rozklad paprsku slunečního světla při vstupu do kapky na jednotlivé

barevné složky: ......................................................................................................... 20

a)Lom světla s jedním odrazem uvnitř kapky deště při vzniku hlavní duhy............... 20 b) Lom světla se dvěma odrazy uvnitř kapky deště při vzniku vedlejší duhy............. 20 Obr. 10

Duha vzniká na kapkách v různých vzdálenostech od pozorovatele....... 21

Obr. 12

Výskyt nočních svítících oblaků .............................................................. 24

Obr. 11 Obr. 13 Obr. 14

Výskyt lentikulárních oblak...................................................................... 23 Schéma vzniku ncl oblaků....................................................................... 25 Schéma podob hlavních halových jevů a jejich výskyt na obloze; 1-malé

halo; 2-velké halo; 3-horizontální kruh; 4-halový sloup; 5-parhelia; 6-Lowitzovy

oblouky; 7-paranthelia; 8-dotykové oblouky malého hala; 9-Parryho oblouk; 10-

dotykové oblouky velkého hala; 11-antihelium; 12-horní circumzenitální oblouk ...... 26 Obr. 15 Obr. 16

Průchod paprsku šestibokým krystalkem ................................................ 28 Dvojí refrakce ohýbá paprsek o 22 stupňů od jeho původního směru a

vytváří světelný kruh pozorovatelný ve vzdálenosti 22 stupňů od Slunce či Měsíce. 28 Obr. 17

Paprsky přicházející k pozorovateli se lámou na krystalcích pod úhlem 46

Obr. 18

Vznik 1200 stupňového bočního slunce .................................................. 30

stupňů od zdroje světla ........................................................................................... 28

6

Obr. 19

Dotykový oblouk (vyznačen bíle) mění svůj tvar v závislosti na výšce

Slunce

31

Obr. 21

Vznik halového sloupu odrazem ............................................................. 32

Obr. 20 Obr. 22

Změny podoby halového sloupu při západu slunce ................................ 31 Podoba circumzenitálního oblouku v závislosti na poloze slunce. Napravo

je znázorněna výška slunce nad obzorem, stupnice zobrazuje vzdálenost oblouku od zenitu

Obr. 23

33

Diagram ukazuje šestiboké krystaly rotující kolem své osy. Tyto rotující

krystaly dávají vznik horním a dolním Lowitzovým obloukům ................................... 33 Obr. 24

Parryho oblouk (vyznačen bíle) mění tvar v závislosti na výšce Slunce

Obr. 25

Schéma k soumrakovým jevům V místě 0° zapadá Slunce a začíná

nad horizontem, pro názornost je zobrazeno i malé halo a jeho dotykový oblouk .... 34 občanský soumrak, v B končí občanský a začíná astronomický soumrak, v místě N končí astronomický soumrak a začíná noc. Hranice atmosféry jsou vyznačeny

čárkovanou kružnicí .................................................................................................. 36 Obr. 26

Schéma k výkladu vzniku zeleného paprsku........................................... 39

Obr. 28

Schéma zvednutí obzoru ........................................................................ 40

Obr. 27 Obr. 29

Zdánlivé zvětšení slunečního nebo měsíčního disku .............................. 40 Spodní zrcadlení: P-pozorovatel, O-bod kritické hodnoty potřebné pro

totální odraz, A-pozorovaný objekt, A´-zrcadlově převrácený obraz ......................... 42 Obr. 30

Svrchní zrcadlení .................................................................................... 43

Obr. 32

Vývoj bouřkového výboje mezi mrakem a zemským povrchem. a, b, c

Obr. 31

Oblast výskytu severní polární záře ........................................................ 45

dávají vývoj prvního impulzu; d, e, f opakované výboje. ........................................... 48 Obr. 33

Elektrické siločáry pod bouřkovým oblakem; na dolní části obrázku

deformace jejich pole při hrotovém výboji. ................................................................ 49

7

ÚVOD:

Pranostiky, předpovědi počasí, nejrůznější pověry, mýty nebo lidová rčení se

v nejrůznějších případech opírají o pozorování jevů, které lze spatřit na obloze.

Celá škála úkazů, které je možné na obloze pozorovat, má původ ve

Slunečním (Měsíčním) záření ovlivněným atmosférou Země a jejími příměsemi jako

jsou vodní kapky ledové krystaly, aerosol atd. Tato nehomogenita atmosféry, různý

tlak, teplota, hustota vzduchu a fyzikální zákonitosti chodu paprsků (lom, odraz..), se podílí na vzniku optických úkazů. Některé z nich jsou běžné a lze je spatřit téměř každý den, jiné jsou vzácné a objevují se třeba jen jednou ročně.

Téma je velmi široké, a proto cílem této práce bylo ve stručnosti vysvětlit

základy šíření světelných paprsků a jejich trajektorie v atmosféře a při prostorovém

omezení, shrnout v krátkém přehledu nejobvyklejší nebo nejzajímavější atmosférické jevy pozorovatelné v přírodě včetně jejich popisu, vzniku a ukázky ve fotografii.

Úkazy jsem obecně rozdělila do dvou skupin, na fotometeory a elektrometeory

podle toho, zda se na jejich vzniku podílí dráha světelného paprsku nebo přenos atmosférické elektřiny.

8

1

ODRAZ A LOM SVĚTLA

Odraz a lom světla se řídí stejnými zákony jaké jsou odvozeny pro šíření

mechanického vlnění daným prostředím pomocí Huygensova principu. Jestliže světelný paprsek dopadá na rozhraní dvou prostředí s odlišnými optickými

vlastnostmi, pak se světlo na rozhraní částečně odráží a částečně láme do druhého prostředí. Nastává odraz a lom světla.

1.1 ODRAZ

Obr. 1

Odraz a lom světla

Světelný paprsek dopadá na rozhraní pod úhlem dopadu α (viz obr. 1), který

paprsek svírá s kolmicí dopadu k, vztyčenou v místě dopadu na rozhraní optických

prostředí. V případě, že rozhraní není tvořeno rovinnou plochou, uvažujeme kolmici

na rovinu, v níž leží tečna k zakřivené ploše v místě dopadu světelného paprsku. Paprsek dopadajícího světla a kolmice dopadu leží v rovině, kterou nazýváme rovina dopadu.

Odražené světlo se šíří od rozhraní ve směru určeném odraženým paprskem.

Ten svírá s kolmicí dopadu úhel odrazu α´. Vztah mezi úhlem dopadu a úhlem

odrazu označuje zákon odrazu světla, který říká, že velikost úhlu odrazu α se rovná

velikosti úhlu dopadu α´. Odražený paprsek leží v rovině dopadu.

Úhel odrazu nezávisí na frekvenci světla. Proto se paprsky světla různých

barev odrážejí stejně.

1.2 LOM

Zákon lomu světla (Snellův) je definován pomocí vzorce n1sinα = n2sinβ

9

Podle zákona lomu nastává při přechodu světla z prostředí opticky řidšího do

prostředí opticky hustšího lom světla ke kolmici, β < α, přičemž platí, že podíl sinu úhlu dopadu a sinu úhlu lomu se rovná relativnímu indexu lomu n; tedy:

Je-li prvním prostředím vzduch a druhým prostředím voda, pak je index lomu n

roven přibližně 1,33.

Při přechodu světla z opticky hustšího prostředí do prostředí opticky řidšího

nastává lom světla od kolmice, β > α .

Zvláštní případ lomu od kolmice nastává, když úhel lomu β = 900. Úhel

dopadu, kterému odpovídá tento úhel lomu, se nazývá mezní úhel αm. Je-li úhel

dopadu α větší αm, lom světla nenastává a vzniká úplný odraz světla. V případě, že

k úplnému odrazu světla dochází na rozhraní s vakuem (vzduchem), platí pro mezní úhel vztah:

2

sinαm = 1/n1

INDEX LOMU SVĚTLA

Jednou z nejdůležitějších věcí charakterizující optické prostředí a zároveň

jejich rozhraní, je index lomu světla. Index lomu závisí na hustotě daného optického

prostředí, kterým paprsek prochází. Optickým prostředím se nazývá prostředí, ve

kterém se světlo šíří, tzn. prochází, odráží se, láme se, nebo je pohlcováno. Rychlost šíření je závislá na vlnové délce procházejícího světla. Čím je vlnová délka kratší, tím

je i rychlost šíření nižší. Index lomu látky mění tedy svou hodnotu podle vlnové délky světla λ.

U všech optických prostředí kromě vakua je vždy n >1.

Absolutní index lomu …Nλ = c/ vλ

C = rychlost světla ve vakuu (3.108 m.s-1)

vλ = rychlost světla vlnové délky λ v uvažovaném prostředí

Absolutní index lomu udává, kolikrát je větší než index lomu v daném

prostředí. Absolutní index lomu vzduchu se obvykle poněkud zvětšuje s klesající vlnovou délkou elektromagnetického záření. 10

Relativní index lomu…… Nλ/ Nλ´; resp. Nλ´/ Nλ Je to poměr dvou absolutních indexů lomu, je to poměr rychlosti světla dvou

různých prostředí.

Index lomu vzduchu

3

=relativní index lomu vzhledem ke vzduchu

DIFRAKCE A INTERFERENCE

Jakmile se do cesty světlu jehož vlnoplochu můžeme považovat za

neomezenou a souvislou, postaví překážka, např. stínítko s otvorem malých

rozměrů, dochází k omezení vlnoplochy a vlny se “ohýbají“, tj. šíří se i do prostoru tzv. geometrického stínu a stanou se nehomogenní. Těmto jevům se říká ohybové.

Teorie ohybových jevů vychází z Huygensova principu, který říká, že

výslednou vlnu v libovolném bodě prostoru dostaneme jako superpozici všech sekundárních kulových ploch. Za zdroj sekundárních kulových ploch o stejné

frekvenci jakou má vlna primární lze považovat každý bod vlnoplochy šířící se z bodového zdroje světla.

Rozdělení na jevy ohybu a interference má historický původ a hranice mezi

nimi neexistuje. Za jevy interference se pokládají ty, kdy jde o skládání konečného počtu vln a za jevy ohybové ty, kdy jde o omezení vlnoplochy otvory a stínítky

konečných rozměrů a kdy se skládá nekonečně mnoho infinitesimálních příspěvků z neporušené části vlnoplochy.

Proto např. Youngův pokus (obr. 2), který sehrál velkou roli ve vybudování si

vlnových představ o světle, může být brán buď jako interference dvou svazků

získaných prostorovým rozštěpením vlnoplochy, nebo jako Fraunhoferova difrakce na dvou obdélníkových otvorech, díky níž byla poprvé změřena vlnová délka světla.

Obr. 2 Youngův pokus; ze zdroje koherentního světla (otvor S) se šíří světlo všemi směry, dopadá na štěrbiny S1, S2 v malé vzdálenosti od sebe; na vzdáleném stínítku pozorujeme výsledný jev 11

3.1 DIFRAKCE SVĚTLA

Každé prostorové omezení světelné vlny, ať rovinné nebo kulové, např.

nějakým otvorem v jinak nepropustném stínítku, vede k jevu, který nazýváme

difrakce. Projevuje se tak, že po dopadu na okraji překážky se světlo šíří za překážkou i do prostoru, kam by na základě přímočarého šíření nemělo světlo proniknout. Na stínítku je v některých případech možno pozorovat difrakční jevy vyznačující se typickým střídáním maxim a minim intenzity světla.

Přesná teorie ohybu vychází z řešení Maxwellových rovnic s použitím

okrajových podmínek, které charakterizují tvar a vlastnosti předmětu, na němž ohyb nastává.

Základní formulace teorie ohybu:

Základní jevy ohybu se nejsnáze demonstrují tak, že z koherentního zdroje

světla necháme svazek paprsků dopadat kolmo na rovinné stínítko obsahující otvor

jednoduchého geometrického tvaru: úzkou štěrbinu, soustavu štěrbin (optická mřížka), kruhový otvor apod. Při rozboru ohybového jevu je možno vycházet z těchto zjednodušujících předpokladů:

1) neprůhledná část stínítka nezáří, stoprocentně absorbuje dopadající záření

2) body uvnitř propustné části stínítka představují ekvivalentní zdroje

elementárních vlnoploch ve smyslu Huygensovy teorie, se stejnou vyzařovací schopností do všech směrů. To platí až těsně k hranám otvorů.

3.1.1 Rozdělení difrakce

Difrakční jevy by se daly rozdělit na dvě třídy ohybových jevů: I. Fraunhoferův ohyb:

Tento případ odpovídá rovinným vlnoplochám a experimentálně je realizován

rovnoběžným osvětlením stínítka (zdroj v nekonečnu) a pozorovacím bodem P

v limitě v nekonečnu (D → ∞). To se dá realizovat pomocí čoček, které mění divergentní svazek na rovnoběžný a rovnoběžný na konvergentní(obr. 3).

12

Obr. 3

II. Fresnelův ohyb:

Fraunhoferův ohyb

Nastává, jestliže v rovině stínítka a v rozmezí otvorů nelze zanedbat zakřivení

vlnoploch, reálné z bodového zdroje nebo fiktivní konvergující k bodu P (obr. 4).

3.2 INTERFERENCE

Obr. 4

Fresnelův ohyb

Zabarvení, které pozorujeme v odraženém nebo i lomeném světle, jako např.

na vrstvě oleje na vodě, na mýdlové bláně apod., má původ v interferenci.

Interferenčními jevy rozumíme ty, které jsou způsobeny superpozicí dvou nebo více

koherentních vln, tj. svazků koherentních paprsků. Výsledek interference závisí na jejich fázovém rozdílu a ten se skládá ze dvou příspěvků: jednak rozdílu optických

drah (=součin geometrické dráhy a příslušného indexu lomu), jednak případnou změnou fáze při odrazu.

3.2.1 Rozdělení interference:

Podle počtu interferujících paprsků: • •

Dvoupaprsková interference - např. interference na slabě odrážejících tenkých

vrstvách.

Vícepaprsková interference - např. interference na silně odrážejících tenkých

vrstvách.

Podle vzniku interferujících svazků: •

Dělením amplitudy – odrazem a lomem z jednoho primárního svazku světla na

rozhraní vzniknou dva svazky, jejichž optické dráhy pomocí různých optických zařízení změníme tak, aby se zase prostorově překrývaly 13

•

Dělením vlnoplochy – průchodem jedné vlny např. přes Fresnelovo bioprisma

vzniknou dvě vlny, jejichž dráhy se v prostoru alespoň částečně překrývají a tam pak dochází k interferenci

Podle způsobu pozorování interferenčního jevu: • •

Pomocí čoček – interferenční jev pozorujeme pomocí spojky v ohniskové nebo

obrazové rovině. Čočka nám v konečné fázi zajistí překrytí interferujících svazků

Na stínítku – k překrytí interferujících svazků dojde na stínítku bez použití čoček

nebo lidského oka. Na stínítku se vytvoří pruhované osvětlení, které zobrazuje maximální a minimální intenzitu.

Podle fyzikálního významu geometrického místa bodů stejné intenzity: • •

4

Proužky stejné tloušťky – klínové vrstvy, Newtonova skla

Proužky stejného sklonu – na tenkých vrstvách při použití divergentního

dopadajícího svazku

TRAJEKTORIE SVĚTELNÝCH PAPRSKŮ V ATMOSFÉŘE

Světelné paprsky se nešíří atmosférou přímočaře, ale po zakřivených drahách

v důsledku toho, že se index lomu vzduchu mění s výškou. U plynů je index lomu n

závislý na hustotě ρ. Hustoty vzduchu s rostoucí výškou ubývá, a tudíž i index lomu vzduchu s výškou klesá.

Atmosféru si lze představit složenou z infinitezimálně tenkých sférických

vrstev. Každá z těchto vrstev je charakterizována určitou hustotou, a tudíž i indexem

lomu, které se na rozhraní skokem mění. Paprsek procházející atmosférou se tedy nejeví jako plynulá křivka, ale představuje lomenou čáru se zlomy na jednotlivých fiktivních rozhraních.

Při průchodu světelných paprsků atmosférou dochází tedy k zakřivení jejich

trajektorie. Důvodem je nehomogenita atmosféry. Tato nehomogenita způsobuje jev,

který nazýváme astronomickou nebo terestrickou refrakcí podle toho, zda se pozorovaný objekt nachází vně atmosféry (astronomická refrakce) nebo uvnitř (terestrická refrakce). V některé literatuře jsou astronomická i terestrická refrakce souhrnně nazývány atmosférickou refrakcí. 14

4.1 ASTRONOMICKÁ REFRAKCE

Světelný paprsek přicházející z mimozemského zdroje světla vstupuje do stále

hustších vrstev vzduchu, a proto se lomí ke kolmici stále více a více k zemskému

povrchu. Pozorovatel potom vnímá danou hvězdu ve směru tečny vedené k zakřivenému paprsku v bodě, kde tento paprsek vstupuje do jeho oka.

Astronomická refrakce udává úhel, o který se liší skutečná výška hvězdy nad

obzorem od pozorované zdánlivé výšky.

Velikost astronomické refrakce výrazně závisí na délce dráhy paprsku

v zemské atmosféře, tj. na výšce pozorovaného objektu nalézajícího se mimo

ovzduší (např. hvězdy, Slunce, Měsíce) nad obzorem. Pro zenit je zřejmě nulová,

u obzoru dosahuje přes polovinu úhlového stupně. Přesná hodnota však závisí i na konkrétním prostorovém rozložení hustoty vzduchu v daném případě. Analogickým

jevem k astronomické refrakci je tzv. zemská refrakce definovaná jako úhel

celkového stočení paprsku vycházejícího ze zemského povrchu a procházejícího šikmo vzhůru atmosférou do kosmického prostoru.

Obdobným úkazem, avšak v podstatně menším měřítku, je tzv. boční refrakce

působená lomem přibližně horizontálních světelných paprsků na nehomogenitách

hustoty vzduchu. Tyto nehomogenity vznikají nejčastěji následkem intenzivního nerovnoměrného zahřívání zemského povrchu slunečním zářením během denních hodin.

Obr. 5 Vznik astronomické refrakce (Pozorovatel (P) sleduje např. určitou hvězdu, která by se při neexistenci lomu světelných paprsků v atmosféře nacházela na nebeské klenbě v bodě A. Díky lomu paprsku v atmosféře vnímá pozorovatel hvězdu v bodě A’)

Mezi jevy podmíněné astronomickou refrakcí patří např. prodloužení trvání

dne, změna tvaru slunečního a měsíčního disku, zelený paprsek. 15

4.2 TERESTRICKÁ REFRAKCE

Vedle astronomické refrakce, při níž je pozorovaný bod vně atmosféry (např.

hvězdy, Měsíc aj.), rozlišujeme ještě tzv. terestrickou refrakci, při níž je pozorovaný

zdroj uvnitř atmosféry Země. Terestrická refrakce je definována jako úhel, který svírá spojnice oka pozorovatele se skutečnou polohou pozorovaného bodu a směrem, ve kterém tento bod vidíme, tj. směrem tečny k trajektorii paprsku v bodě pozorovatele.

Terestrickou refrakcí, zvednutím nebo snížením obzoru, je vyvolán jev, který

lze často v přírodě pozorovat, je to zdánlivé zvětšení resp. zmenšení vzdálenosti vzdálených předmětů ( hor, lesů apod. ), ale i svrchní a spodní zrcadlení, zdánlivé zvednutí obzoru nebo mihotání vzdálených zdrojů světla.

16

Fotometeory– světelné jevy v ovzduší vyvolané odrazem, lomem, rozptylem

či interferencí slunečního, popř. měsíčního světla. Patří sem: duha, halové jevy,

koróna, zrcadlení, fata morgana, irizace, glórie, soumrakové jevy.

5

DUHA

5.1 CHARAKTERISTIKA DUHY

Jedním z nejnápadnějších a zároveň vcelku běžných atmosférických optických

jevů jsou duhy. Vznikají při průchodu slunečních paprsků vrstvami vzduchu

obsahujícími v dostatečném počtu větší vodní kapky, obvykle kapky deště. Duhu lze spatřit nejen díky dešťovým kapkám, ale třeba i ve tříšti kapek u vodopádů či fontán.

Na opačné straně než svítí Slunce osvětlují při dešti sluneční paprsky

dešťové kapky, v nichž se světlo láme, rozkládá a odráží a tam právě můžeme duhu pozorovat. Ta opisuje část kružnice o poloměru asi 42° kolem místa, kam směřuje

stín pozorovatelovy hlavy. Proto je možné duhu z rovného povrchu pozorovat je-li Slunce níže než 42° stupňů nad obzorem. Duhový oblouk pak vystupuje tím výše, čím níže se Slunce sklání k obzoru. Při poloze slunce více než 42° nad obzorem,

nelze hlavní duhu ze země pozorovat. Jinak se duha se promítá jako oblouk o stále stejném poloměru z jakéhokoliv místa v okolí pozorovatele.

Primární, neboli hlavní duha, vzniká na vodních kapkách jedním vnitřním

odrazem přímých slunečních paprsků. Podobně jako po průchodu paprsku

skleněným hranolem, kde se světlo při vstupu do opticky hustšího prostředí rozkládá, vidíme i v duze rozložené sluneční světlo na jednotlivé barevné složky. Od vnějšího

okraje duhy směrem k vnitřnímu plynule přechází v pořadí: červená, oranžová, žlutá, zelená, modrá až fialová. Úhlová šířka pásu barev bývá okolo 2° prostorového úhlu.

Dvojnásobným vnitřním odrazem slunečních paprsků na vodních kapkách se

vytváří duha sekundární, neboli vedlejší. Ta se objevuje při intenzivnějším dešti, je

méně výrazná a má větší poloměr, asi 51°. Sled barev je v tomto případě opačný než je tomu u duhy hlavní. Vedlejší duha se nalézá asi 8° nad duhou hlavní. Jeden vnitřní odraz světla na kapkách navíc se u sekundární duhy projeví tím, že úhlová šířka barevného pásu je větší než u duhy primární a činí asi 4°.

Pás mezi oběma duhami, jehož poloměr vidíme v rozsahu 42° až 51° a který

bývá nazýván Alexandrovým obloukem, je tmavší. Naopak znatelně světlejší se

obloha jeví uvnitř primárního duhového oblouku a obloha vně oblouku sekundární 17

duhy. Tzn. u paprsků vycházejících pod úhly 42° až 0° a od 51° až po 180°. Na vnitřní straně hlavní duhy a na vnější straně duhy vedlejší lze poměrně často

pozorovat podružné duhové oblouky jevící se jako několikanásobné opakování slabě vyjádřeného spektra barev. Tento jev je založen na interferenci.

Duha terciální je vzácným optickým úkazem a je nazývaná též “duha kolem

Slunce“, kterou vytvářejí paprsky podstupující na vodních kapkách tři vnitřní odrazy. Tuto duhu lze pozorovat v úhlové vzdálenosti asi 43° od Slunečního disku, tzn.

„kolem slunce“ na protější straně oblohy, než se nalézá duha primární i sekundární. Do jisté míry může připomínat duhově zabarvené velké halo.

Duhy ještě vyššího řádu vytvářené čtyřmi a více násobnými odrazy paprsků na

vodních kapkách jsou natolik slabé a vzácné úkazy, že jejich pozorování je zcela mimořádný případ.

Odrazem na kapkách se paprsky světla polarizují. O tom se lze přesvědčit

pozorováním duhy skrze fotografický polarizační filtr, jímž se pomalu otáčí - části oblouku tak budou mizet.

Tab. 1. Srovnání velikostí vodních kapek se vzhledem duhy poloměr vodních kapek v mm 0,5-1

0,25 0,1-0,15 0,04-0,05 0,03

<0,025

Charakteristika vzhledu duhy Široký fialový pruh, jasně patrná zelená a červená barva, větší počet podružných duhových oblouků, v nichž je nejzřetelnější fialová a zelená barva

Slabší červená barva, menší počet podružných oblouků s převládající fialovou a zelenou barvou Poměrně široký pás duhy téměř bez červené barvy, nažloutlé podružné duhové oblouky

Široký a poměrně bledý pás duhy, nejvýrazněji patrná fialová barva Bílý pruh v hlavní duze

Tzv. duha v mlze jevící se pouze jako bílý pruh

18

5.1.1 Vznik

Obr. 6

Primární a sekundární duha

Následující vysvětlení vzniku duhy vychází pouze z geometrické optiky. Bylo

by možné uvažovat i vliv velikosti a deformace tvaru kapek na podobu duhy, popřípadě interferenci světla pomocí níž lze vysvětlit střídající se světlejší a tmavší

proužky občas pozorovatelné na vnitřní straně hlavní nebo vnější straně vedlejší duhy - tzv. podružné duhové oblouky.

Sluneční paprsky vstupující do kapky se odráží a lámou. Pro vysvětlení

primárního duhového oblouku nás zajímají paprsky, které se po vstupu do kapky lámou, odrážejí na protější straně kapky a vycházejí lomem opět na straně směrem ke Slunci pod ostrým úhlem vůči vstupu paprsku.

Dráha takového paprsku je znázorněna na následujícím obrázku.

Obr. 7

Lom světelného paprsku vytvářejícího primární duhový oblouk

Sluneční paprsek přichází zleva ve výšce h (obr. 7) nad vodorovnou osou

procházející středem kapky o jednotkovém poloměru (h tedy nabývá hodnot od 0 do 1), vstupuje do kapky pod úhlem alfa (sinus alfa = h), láme se pod úhlem beta, na

protější straně se odráží a vystupuje z kapky ven, přičemž vystupující paprsek svírá s

původně vstupujícím paprskem úhel gama. Hodnota úhlu gama, tzv. duhového úhlu, bude mít své maximum kolem hodnoty 42°, což je právě poloměr hlavní duhy.

Pokud budou paprsky vstupovat do kapky v různých vzdálenostech od osy

kapky směřující ke Slunci, vystupující paprsky se budou koncentrovat nejvíce kolem

úhlu 42° a ostatní paprsky budou vystupovat pod menšími úhly. Maximum úhlu gama 19

pro červenou barvu je 42,5°, pro zelenou 41,9°, pro modrou 41,5°. Proto má hlavní duha nejvýše červený a nejníže modrý pás.

Uvnitř kapek dochází také k více vnitřním odrazům paprsku. Paprsky

odrážející se dvakrát uvnitř kapky budou vycházet nejčastěji pod úhlem asi 51° vůči

vstupujícímu paprsku. Takto vzniká již ne tak výrazná sekundární duha, která se objevuje nad hlavní duhou.

Obr. 8

Lom paprsku u sekundární duhy

Průběh paprsků v kapce neprobíhá pouze v jedné rovině, ale ve všech

rovinách. Proto je vidět duha jako oblouk symetrický kolem osy, kam směřuje

pozorovatelův stín vrhaný Sluncem. A protože je sluneční světlo složeno z různých barev a paprsek každé barvy se láme pod trochu jiným úhlem, bude světlo po

průchodu kapkou rozloženo v duhové spektrum (obr.9). Záření různých barev se také

koncentruje po průchodu kapkou pod trochu odlišnými úhly, a proto vidíme v duze soustředné barevné pásy.

Obr. 9

Rozklad paprsku slunečního světla při vstupu do kapky na jednotlivé barevné složky:

a)Lom světla s jedním odrazem uvnitř kapky deště při vzniku hlavní duhy

b) Lom světla se dvěma odrazy uvnitř kapky deště při vzniku vedlejší duhy

20

6

Obr. 10

Duha vzniká na kapkách v různých vzdálenostech od pozorovatele

OHYBOVÉ JEVY

6.1 KORÓNA

Koróna je optický úkaz, projevující se soustavou maxim a minim intenzity

světla kolem zdroje rovnoběžných paprsků přirozeného světla (Slunce, Měsíc, velmi

jasné hvězdy či pozemské zdroje světla), jejichž poloha závisí na vlnové délce (červené paprsky mají delší vlnovou délku než modré paprsky - proto se maxima

jednotlivých barev zobrazují v různých poloměrech kolem světelného zdroje) a

poloměru kapky. Pozorovateli se jeví jako soustava soustředných barevných kroužků, uvnitř modrobílých, vně načervenale nahnědlých. Koróna tak může sahat do vzdálenosti 5 až 10° od světelného zdroje (pro srovnání - kotouč Sluce či Měsíce má úhlový průměr asi 0,5°).

6.1.1 Vznik

Jde o optický jev vznikající ohybem světla na konturách vodních kapiček v

oblacích, mlhách, kapiček volně rozptýlených v ovzduší v podobě tzv. kouřma. Výraznost a jasnost barev je největší, mají-li zmíněné vodní kapičky vzájemně stejné

poloměry. První barevný sled koróny, (tzn. pokud se sled barev opakuje) a jehož poloměr nebývá větší jak 5°, je nazýván aureola. Nejčastěji lze pozorovat jen jeden

sled duhových barev, vzácněji je možné vidět až tři takové soustavy spektrálních barev za sebou.

Pokud jsou kapičky mezi jimiž světlo prochází nestejně veliké, je koróna ne

výrazná a má vzhled pouze bělavého, či slabě zbarveného kruhu, v němž se světlo zdroje rozpíjí. V této podobě bývá velmi často pozorována kolem Měsíce a lidově má název studánka.

Čím větší jsou kapky zapříčiňující vznik koróny, tím menší aureola je. Vzhled

koróny vypovídá o "stáří" mraku. Pokud je koróna hodně nápadná, obsahuje mrak

drobné, malé kapičky vody o průměru jenom desítek mikrometrů a vznikl teprve před 21

nedávnem. Ve starých oblacích už kapky stejnou velikost nemají, proto se skrz ně netvoří tak pěkně zabarvené prsteny.

Ohyb světla způsobující vznik koróny mohou být vyvolány také drobnými

pevnými částicemi vznášejícími se v ovzduší; například pylem. V jarním období unáší vítr celé oblaky malých pylových zrnek a při jejich vysoké koncentraci můžeme vzácně pozorovat pylové koróny kolem jasných světelných zdrojů.

(V astronomii má pojem koróna jiný význam - užívá se jako název pro

atmosféru Slunce, kterou lze spatřit jen při jeho úplném zatmění.)

6.2 GLÓRIE 6.2.1 Vznik

Glórie (gloriola) je ohybový jev podobný koróně, avšak podstatně slabší

intenzity. Vzniká zpětným ohybem světelných paprsků na sférických vodních kapičkách. Projevuje se jako slabé barevné soustředné kroužky kolem stínů

vrženého určitým předmětem (umístěným mezi oblakem a zdrojem světla) nebo

postavou na níže ležící oblačnou vrstvu, popř. na vrstvu mlhy. Dá se pozorovat i na zemi kolem stínu vrženého do kapek ranní rosy. Barevná výraznost glórie bývá nejlepší, jestliže rozptylující vodní kapičky jsou si vzájemně velikostí co nejbližší.

6.2.2 Výskyt

Díky okolnostem, za kterých glórie může vznikat, vyskytuje se nejčastěji na

horách, za mlhavého počasí, kde je možné vidět vlastní stín na níže ležící oblačnosti ověnčený přízračnou gloriolou a za situace, kdy je Slunce nízko nad obzorem. Často

lze tento jev pozorovat z letadla na jeho stínu promítnutého do oblačné vrstvy či mlhy.

Pokud je vrstva oblaku nebo mlhy velmi blízko předmětu vrhajícího stín, popř.

se tento předmět nalézá uvnitř ní (typicky na horách), zdá se stín velmi zvětšený a jev pak bývá lidově označován jako tzv. horský nebo Brockenský přízrak

(Broskenské strašidlo), podle hory Brocken nacházející se v pohoří Harz v Německu, kde byl často popisován. Charakteristické je, že každý vidí gloriolu jen kolem stínu své hlavy a ne kolem hlavy svého bližního.

22

6.3 IRIZACE

Ohybem a interferencí slunečních paprsků na vodních kapičkách vzniká i tzv.

irizování (iridescence) oblaků , tj. duhové nebo perleťové zbarvení, v němž převládají červenavé a zelenavé odstíny. Irizaci lze nejčastěji pozorovat u oblaků druhu Altocumulus a Stratocumulus, popř. u druhu Cumulus.

Dobrým zdrojem iridescence jsou tzv. lentikulární mraky, oblaka čočkovitého

tvaru, nacházející se na závětrné straně hor. Kapky v nich mají velmi krátkou dobu existence a nedostatek času k tomu, aby se rozvinuly do různých velikostí.

Obr. 11

Výskyt lentikulárních oblak

Irizace často kopíruje po obvodu tenký oblak nebo má nepravidelný tvar a

nabývá tak vzhled části nesymetrické či zdeformované koróny. S úkazem se lze

setkat prakticky výhradně pouze kolem Slunce. Poblíž slunce jsou oblaka spíše barevně nevýrazná, s rostoucí vzdáleností však nabývají na intenzitě. Irizování oblaků vzdálenějších než padesát stupňů od Slunce je vzácností.

7

PERLEŤOVÁ OBLAKA

Ve vyšších zeměpisných šířkách při polohách slunce blízko pod obzorem, kdy

zemský povrch a nižší vrstvy atmosféry jsou již ve stínu, lze pozorovat tzv. perleťová

oblaka. Je to vzácný druh tenkých oblaků vyskytujících se ve velkých výškách kolem

20 - 30 km, tedy již ve stratosféře. Tato vrstva atmosféry leží nad vrstvou, v níž se utváří počasí a kde běžné oblaky zasahují nejvýše do 10-12 km.

Na základě výrazné iridescence se předpokládá, že jsou složeny převážně z

malých, silně přechlazených vodních kapiček. Jejich perleťový jas se projevuje

nejvýrazněji jsou-li na soumračné obloze ještě osvětlovány paprsky již zapadlého Slunce, nebo ráno po východu Slunce. U nás perleťové oblaky spatřit nemůžeme,

patří ke vzácným úkazům pozorovaným nejčastěji poblíž hornatých oblastí Skandinávie při rychlém vzdušném proudění, na Aljašce a v severní Kanadě.

23

8

STŘÍBŘITÉ OBLAKY

Odlišným úkazem jsou tzv. noční svítící neboli stříbřité oblaky (angl. zkratka

ncl), které byly poprvé pozorovány v roce 1885.Tyto velmi tenké oblaky představují velmi zvláštní typ oblačnosti vyskytující se v horní části mezosféry ve výškách 70 – 90 km, projevující se stříbřitě šedým světélkováním na tmavém pozadí noční oblohy.

8.1.1 Výskyt

Tento jev lze pozorovat ve středních a vyšších zeměpisných šířkách v letních

měsících, na naší polokouli od poloviny května do poloviny srpna, hlavní doba výskytu ale spadá na červen a červenec. Na denní obloze se tento typ oblaků pozorovat nedá. Noční svítící oblaky se objevují v době, kdy je sluneční kotouč asi 6 - 16° pod obzorem a to mezi severozápadním a severovýchodním obzorem.

8.1.2 Vzhled

Obr. 12

Výskyt nočních svítících oblaků

Noční svítící oblaky se dají pozorovat jen těsně nad obzorem, obvykle ne výše

než 15 - 20°. Mají vzhled stříbřitých závojů často s modravým nádechem. Podle tvaru se dělí na 4 základní skupiny a několik podskupin: • Typ I

- závoje (bez struktury)

• Typ III

- vlny (připomínají čeřiny) - nejčastější forma

• Typ II

• Typ IV

- pruhy (táhnoucí se pásy) - víry (háčky a oblouky)

Noční svítící oblaky mohou připomínat i běžné oblaky, které může zvýraznit

například svit Měsíce.

8.1.3 Vznik

Je to poměrně vzácný jev a o jeho původu existují dvě hypotézy. Podle první z

nich se jedná o shluky částic zejména vulkanického nebo kosmického prachu, druhá 24

se zakládá na předpokladu, že se skládají z ledových částic vzniklých z vodní páry, která se v těchto výškách vytvořila fotochemickou reakcí (syntézou z kyslíku a vodíku).

Noční svítící oblaky se nacházejí v horní části mezosféry, přesněji v

mezopauze, což je vůbec nejchladnější část zemské atmosféry. Její teplota v polárních oblastech není celý rok stejná. Pouze v období několika týdnů se středem

krátce po letním slunovratu je zde paradoxně teplota nejnižší a klesá až pod -130°C

a pouze za těchto podmínek se mohou noční svítící oblaky tvořit. Oblaky tohoto typu

se nevyskytují pouze v blízkosti pásma odkud jsou hlášena pozorování (50 - 65° severní a jižní zeměpisné šířky), ale v letním období se tvoří nad celou polární oblastí

- užívá se pro ně pojem polární mezosférické oblaky (angl. zkratka PMC). Noční svítící oblaky jsou tedy zřejmě jen viditelnou částí mezosférické oblačnosti. Důvod, proč nebývají tyto oblaky pozorovatelné i z míst blíže pólům je skutečnost, že v

období výskytu mezosférické oblačnosti je v těchto oblastech příliš světlá obloha nebo polární den. Mimo toto období mezosférická oblačnost mizí a situace se opakuje o půl roku později v polárních oblastech na opačné polokouli.

Pokles teploty a vznik oblačnosti v mezosféře je podmíněn sezónními

změnami proudění a oblačnost se zde může tvořit přesto, že jde o velmi suchou část

atmosféry. Částečky ledu tu vznikají jednak díky přenosu malého množství vodních par z nižší části atmosféry a zároveň také díky vzniku molekul vody přímo v

mezosféře - zřejmě štěpením metanu slunečním zářením. Mechanismus vzniku oblaků ale není zatím dostatečně objasněn.

Obr. 13

Schéma vzniku ncl oblaků 25

9

HALOVÉ JEVY

Halové jevy jsou optické úkazy, které se objevují na obloze kolem Slunce i

Měsíce v podobě kol, oblouků a skvrn. Podmínkou pro jejich objevení je přítomnost

drobných ledových krystalů v atmosféře. Podle způsobu vzniku můžeme halové jevy

rozdělit na ty, které se vytvářejí odrazem slunečních paprsků na stěnách ledových krystalků (např. horizontální kruh, halový sloup, spodní slunce), zatímco do druhé

skupiny počítáme úkazy, k jejichž vysvětlení je nezbytné uvažovat lom světla (např. malé a velké halo, horní a dolní circumzenitální oblouk, parhelium, Parryho

oblouk…). V prvém případě je halový jev pouze bělavý, ve druhém mívá duhové nebo perleťové zbarvení, přičemž červená barva je vždy na okraji bližším slunečnímu disku.

Jednotlivých halových jevů existuje celá škála. Jaký konkrétní halový jev bude

pozorovatelný a jaký bude mít tvar ovlivňují 3 hlavní faktory: •

typ krystalů (destičky, sloupky, aj.)

•

orientace krystalů (náhodná, uspořádaná)

•

výška Slunce nad obzorem

Ledové krystaly, na nichž k jevu dochází, mají tvar šestiboké destičky či

šestibokého sloupku. Vyskytují se ve výškách 6 - 12 km. Za chladu se mohou vyskytovat i v přízemní vrstvě ovzduší.

Obr. 14 Schéma podob hlavních halových jevů a jejich výskyt na obloze; 1-malé halo; 2-velké halo; 3-horizontální kruh; 4-halový sloup; 5-parhelia; 6-Lowitzovy oblouky; 7-paranthelia; 8-dotykové oblouky malého hala; 9-Parryho oblouk; 10dotykové oblouky velkého hala; 11-antihelium; 12-horní circumzenitální oblouk

26

Tab. 2. Četnost výskytu některých halových jevů

Průměrný počet dní s výskytem v roce

Halový jev Malé halo

209

Vedlejší slunce malého hala

Horní nebo dolní dotykový oblouk malého hala Halový sloup

71

59

34

Cirkumzenitální oblouk

31

Horizontální kruh nebo jeho části

13

Velké halo

18

Lowitzovy oblouky

3

Dotykové oblouky velkého hala

1

Protislunce

1

Vedlejší slunce 1200

1

9.1 MALÉ HALO (22°)

Je to nejčastěji se objevující halový jev (viz obr.14 add 1). Malé halo, či tzv.

malý prsten má vzhled světlého kola o poloměru 22°. Pomyslný střed se nachází ve

Slunci nebo Měsíci, ale prostor mezi je prázdný (na rozdíl od koróny, která se rozlévá přímo od zdroje světla).

Vzniká lomem světla na náhodně orientovaných krystalcích ledu (šestibokých

sloupcích), které se nachází v podobě tenkého, průhledného mraku (tzv. cirru či cirrostratu). Protože dochází i k rozkladu světla, je na vnitřní straně směrem ke Slunci mírně načervenalé.

Kružnice malého hala vzniká dvojím lomem. Paprsky vstupují do krystalků

boční stěnou, lámou se, procházejí krystalem a opět se lámou na další stěně krystalu. Paprsky se přitom odchylují od směru vstupujícího paprsku v závislosti na

úhlu dopadu na boční stěnu. Největší koncentrace vystupujících paprsků se však kumuluje kolem úhlu 22° (tzv. minimální odchylky), ostatní paprsky se odchylují o větší úhel. Proto je kolo malého hala poměrně ostře ohraničené směrem ke Slunci,

zatímco se zvětšující se vzdáleností od Slunce (až do 50°) postupně slábne a přechází do okolí. Někdy je prsten symetrický, jindy může být na některých místech

méně výrazný, či zcela přerušen. Záleží na tom, jak moc je vrstva ledových krystalků 27

souvislá. Tvar malého hala a dalších halových jevů vznikajících na náhodně orientovaných krystalech neovlivňuje výška Slunce nad obzorem.

Obr. 15

Průchod paprsku šestibokým krystalkem

Obr. 16 Dvojí refrakce ohýbá paprsek o 22 stupňů od jeho původního směru a vytváří světelný kruh pozorovatelný ve vzdálenosti 22 stupňů od Slunce či Měsíce

9.2 VELKÉ HALO (460)

Tento halový jev patří mezi vzácné (viz obr.14 add 2). Je to kruh s vnitřním

poloměrem přibližně 46° a se středem ve Slunci. Velké halo vzniká dvojnásobným

lomem světla na náhodně orientovaných šestibokých ledových sloupcích do nichž

paprsek vniká podstavou a vychází boční stěnou. Dráha paprsků v krystalu je tedy odlišná než u mnohem častějšího 22° halo efektu, které rovněž vzniká na náhodně orientovaných sloupcích. Celkový vzhled je podobný jako u 22° hala s tím rozdílem, že je mnohem slabší a difúznější. S měnící se výškou Slunce nad obzorem se jeho vzhled nemění.

Obr. 17

Paprsky přicházející k pozorovateli se lámou na krystalcích pod úhlem 46 stupňů od zdroje světla 28

9.3 PARHELICKÝ KRUH (KRUH VEDLEJŠÍCH SLUNCÍ, HORIZONTÁLNÍ KRUH)

Parhelický nebo též horizontální kruh je bělavý kruh, který obepíná celou

oblohu rovnoběžně s horizontem, přičemž leží ve stejné výšce nad obzorem jako

Slunce, kterým kruh prochází (viz obr.14 add 3). Tento kruh většinou nebývá

pozorovatelný celý, nýbrž jen jeho části. Na parhelickém kruhu se mohou nacházet také další halové jevy. Jak název napovídá, jde především o vedlejší slunce

(parhelia). Kromě nejznámějších 22° parhelií jsou to například 90°, 120° a další parhelia, dále z kruhu mohou vybíhat v protislunečním bodě oblouky (Trickerovy a jiné) a může se na něm nacházet také protislunce (antihélium).

Vzniká na krystalcích tvaru destiček s horizontálně orientovanou základnou a

také na bočních stěnách sloupků s vertikální hlavní osou. Nejjednodušeji odrazem,

ale částečně i lomem světla na vnitřních stěnách krystalků. Kromě jedné či dvou výjimek nedochází k rozkladu světla a proto je oblouk téměř kompletně bez barev.

9.4 VEDLEJŠÍ SLUNCE (PARHELIA)

Parhelia vznikají dvojnásobným lomem na krystalcích tvaru destiček, jejichž

základna je orientována přibližně horizontálně tzn., že se šestiboké hranolky

vyznačují vertikální orientací hlavní osy. Příčiny vzniku spočívají v lomu paprsků při lámavém úhlu 60ti stupňů. Příslušné paprsky se potom po průchodu krystalky a

zpětném promítnutí na nebeskou klenbu kupí po obou stranách slunečního disku, čímž vznikají světlé skvrny vedlejších sluncí.

Vedlejší slunce (viz obr.14 add 5). se nacházejí na vnější straně malého hala

(to však nemusí být zároveň patrné), jejich úhlová vzdálenost od Slunce však závisí

na výšce Slunce nad obzorem. Jestliže je Slunce těsně nad obzorem, nacházejí se parhelia na malém halu a ve stejné výšce jako Slunce. S tím, jak výška Slunce nad obzorem stoupá, posouvají se parhelia do větší vzdálenosti a zároveň do větší výšky nad obzorem než Slunce. Současně s tím dochází také k poklesu jejich jasnosti.

Někdy mohou být téměř bílá, ale většinou mají duhové barvy, z nichž

nejvýraznější bývá červená na vnitřní straně.

29

9.5 1200 PARHELIUM

Tento úkaz není až tak vzácný, jako spíše obtížně rozpoznatelný od světlých

mraků.

120ti stupňové vedlejší slunce vzniká dvěma vnitřními odrazy. Paprsek vstoupí

do krystalu horní plochou, dvakrát se odrazí od přilehlých stěn a ven vychází spodní stranou. Horizontální odchylka paprsku je vždy 1200, nehledě na úhel dopadu

přicházejícího paprsku.

Obr. 18

Vznik 1200 stupňového bočního slunce

9.6 DOTYKOVÝ OBLOUK MALÉHO HALA (TEČNÝ, TANGENCIÁLNÍ OBLOUK)

Jedná se o dva oblouky, které se dotýkají horní nebo dolní části malého hala

(viz obr.14 add 8). Tzv. horní dotykový oblouk, jehož tvar silně závisí na výšce Slunce nad obzorem. Je-li Slunce nízko, dotýká se malého hala oblouk ve tvaru písmene"v", s rostoucí výškou Slunce nad horizontem se oblouk více rozevírá a zároveň se nad obzor dostává i spodní část malého hala, k němuž zespoda přiléhá

tzv. spodní dotykový oblouk, který je však zřídka patrný. Oba oblouky se s rostoucí

výškou dále rozevírají, až se při výšce Slunce kolem 32° jejich rozevírající se větve spojí v halo oválného tvaru, které se nahoře a dole dotýká malého hala – v těch místech je také nejjasnější, zatímco postranní části hala jsou velmi nevýrazné.

Konečně při výšce slunečního disku nad 55° se halo vzniklé spojením větví

dotykových oblouků již nedá téměř odlišit od malého hala, které však nemusí být současně pozorovatelné.

9.6.1 Vznik

Na vzniku dotykových oblouků (resp. eliptického hala – circumscribed halo- ve

které se mohou spojit) se podílí sluneční paprsky procházející bočními stěnami šestibokých ledových hranolků, které jsou orientovány svou hlavní osou téměř

rovnoběžně s horizontem. Na jejich orientaci závisí také jejich viditelnost. Díky lomu a

rozkladu světla v takto orientovaných krystalech, můžeme u nich pozorovat spektrální barvy. Často ale bývají bělavé.

30

Obr. 19

Dotykový oblouk (vyznačen bíle) mění svůj tvar v závislosti na výšce Slunce

9.7 DOTYKOVÉ OBLOUKY VELKÉHO HALA

Také u velkého hala se mohou vzácně vyskytovat dotykové oblouky (viz

obr.14 add 10), avšak nikoliv v polohách jako je tomu u malého hala. Spodní dotykové oblouky bývají v našich zeměpisných šířkách obvykle pod obzorem, takže nejsou pozorovatelné

9.8 HALOVÝ SLOUP

Halový sloup má tvar vertikálně orientovaného světelného sloupu, který se

jeví jako světelný pruh procházející Sluncem (viz obr.14 add 4). Rozeznáváme horní

a dolní část, přičemž horní část bývá patrná častěji. Obvykle je vidět při východu či západu slunce, při větších výškách Slunce nad obzorem se stává slabším a postupně zaniká.

Obr. 20

Změny podoby halového sloupu při západu slunce

Vzniká odrazem světla na destičkovitých krystalech, jejichž základna je

orientována přibližně vodorovně. Rovněž může vznikat odrazem světla na sloupcích s jednou vodorovně orientovanou stěnou (Parryho orientace), eventuálně dvojitým

lomem s odrazem na destičkách, ale tyto dvě možnosti přispívají ke vzniku sloupu mnohem méně než první uvedený způsob. Právě díky tomu, že halový sloup vzniká

nejčastěji jednoduchým odrazem, nemá duhové barvy a bývá zabarven pouze podle barvy slunečního světla.

Pokud se spojí halový sloup s horizontálním obloukem, může kolem Slunce

vzniknout zvláštní "světelný kříž".

31

Obr. 21

Vznik halového sloupu odrazem

9.9 CIRCUMZENITÁLNÍ OBLOUK Cirkumzenitální

oblouk

je

duhově

zbarvený

oblouček,

někdy

také

popisovaný jako „obrácená duha“. Dotýká se velkého hala v jeho nejvyšším bodě a

tvoří součást pomyslné kružnice se středem v zenitu. Může vypadat jako tenký a nejasný oblouk, nebo jako široký a sytě barevný půlkruh. Horní cirkumzenitální

oblouk (viz obr.14 add 12), je možno pozorovat pouze tehdy, jestliže Slunce není

výše než 32° nad geometrickým obzorem. Není-li tato podmínka splněna, brání jeho vzniku totální odraz slunečních paprsků uvnitř ledových krystalků. Jeho poloměr

kolem zenitu závisí na výšce Slunce nad obzorem. Při nízko zářícím Slunci je oblouk

vzdálen něco přes 30° od zenitu, ke kterému se s rostoucí výškou Slunce blíží. Nikdy však netvoří uzavřenou kružnici kolem zenitu.

Vzniká na hexagonálních hranolcích, destičkách, jenž mají horizontální

základnu a vertikálně orientovanou hlavní osu (podobně jako u bočního slunce). Paprsky do nich vstupují horní podstavou a vycházejí boční stěnou.

Cirkumhorizontální oblouk je obdobou cirkumzenitálního oblouku, který se

nachází naopak hluboko pod sluncem. V naších zeměpisných šířkách nevystupuje

výš než přibližně 15°nad obzor, proto jej lze nejlépe spatřit jen těsně při jižním

obzoru, v poledních hodinách dnů kolem letního slunovratu, kdy se nachází Slunce poměrně vysoko. Pro jeho vznik je nutná výška Slunce větší než 58°.

Vzniká rovněž na krystalcích tvaru destiček, jejichž základna je horizontální,

vzácněji na sloupích s tzv. Parryho orientací. Na jeho vzniku se podílejí paprsky, které při vertikální orientaci šestibokých hranolků ledových krystalů podstupují lom na lámavém úhlu 90o, přičemž vstupují pláštěm a vystupují podstavou.

32

Obr. 22 Podoba circumzenitálního oblouku v závislosti na poloze slunce. Napravo je znázorněna výška slunce nad obzorem, stupnice zobrazuje vzdálenost oblouku od zenitu

9.10 LOWITZOVY OBLOUKY

Tyto krátké oblouky bledých barev vybíhající diagonálně od malého hala k

parheliím (viz obr.14 add 6), byly poprvé popsány v r. 1794 Thomasem Lowitzem v Petěrburku.

Způsobeny jsou rotujícími plochými nebo sloupcovými krystaly. Paprsky

procházejí skrze dvě protilehlé strany vzájemně k sobě postaveny v úhlu 60ti stupňů.

Obr. 23

Diagram ukazuje šestiboké krystaly rotující kolem své osy. Tyto rotující krystaly dávají vznik horním a dolním Lowitzovým obloukům

9.11 PROTISLUNCE

Antihelium je vidět na opačné straně slunce, na parhelickém kruhu (viz obr.14

add 11).

Na vznik protislunce existuje několik teorií. Podle jedné není antihelium žádný

zvláštní druh halo jevu, jedná se pouze o spojení několika halo na opačné straně slunce, z nihž většina vzniká na sloupcových, horizontálně orientovaných krystalech. Podle této teorie by mělo být, v případě rozšíření ledových krystalů po celé obloze,

protislunce viditené dohromady s ostatními halo efekty vznikajícími na takových krystalech. Ale vzhledem k tomu, že bylo pozorováno i samostatně, jedná se o

samostatný druh halo jevu. Moho by také být způsobeno čtyřhranými krystaly se dvěma vertikálními bočními stranami. Ty odrážejí světlo dvakrát, z vnějších stran hranolu a vracejí ho zpět pod úhlem 1800. Podle další teorie vzniká antihelium na

ledových krystalech sloupcových tvarů, ve kterých se odráží světlo dvakrát uvnitř krystalu.

33

9.12 PARRYHO OBLOUK

Parryho oblouk, patřící k poměrně vzácným úkazům, vzniká lomem paprsků

při lámavém úhlu 60o na šestibokých hranolcích ledových krystalků, jejichž hlavní osa má horizontální polohu a současně jedna dvojice protilehlých stěn pláště leží v přesně horizontálních rovinách.

Parryho oblouk se objevuje nad malým halem (viz obr.14 add 9) a jeho tvar

závisí na výšce Slunce nad obzorem. Díky lomu světla v krystalech jsou Parryho oblouky duhově zbarveny.

Při poloze slunce na horizontu splývá Parryho oblouk s horním dotykovým

obloukem malého hala. S rostoucí výškou nad obzorem se oblouk ve tvaru písmene "v" odpoutává od malého hala vzhůru a mizí, zatímco další oblouk s odlišným

chodem paprsků v krystalu se naopak objevuje nad malým halem a pří vzrůstající

výšce Slunce se k němu shora blíží. Právě tento oblouk bývá nejčastěji pozorovatelný.

Obr. 24 Parryho oblouk (vyznačen bíle) mění tvar v závislosti na výšce Slunce nad horizontem, pro názornost je zobrazeno i malé halo a jeho dotykový oblouk

10

SOUMRAKOVÉ JEVY

Příčinu těchto jevů je nutno hledat ve změnách spektrálního složení přímého a

rozptýleného slunečního světla při průchodu velkými vrstvami ovzduší za soumraku.

Přitom je nutné uvažovat nejen molekulární rozptyl, ale také rozptyl světla nejmenšími částicemi prachu a produkty kondenzace vodní páry.

Po západu Slunce nebo před jeho východem je část oblohy, pokud tomu

nebrání úplné pokrytí hustými oblaky, osvětlována rozptýleným slunečním světlem. Při tom lze pozorovat některé optické úkazy, na jejichž vzniku se společně podílejí lom, rozptyl a absorpce slunečních paprsků v atmosféře.

Analogické jevy se za vhodných podmínek objevují i během ranního soumraku

(svítání), avšak v opačném časovém sledu.

34

10.1 SOUMRAK

Dobu, kdy se Slunce nalézá pod obzorem, avšak rozptýlené sluneční záření

může osvětlovat alespoň část oblohy, nazýváme astronomický soumrak a v tomto

smyslu rozlišujeme ranní a večerní soumrak, přičemž prvý z nich bývá v češtině častěji označován jako svítání.

V době letního slunovratu klesá Slunce na naší zeměpisné šířce pouze asi

16,5° pod obzor, v této části roku (po dobu asi tří týdnů) trvá u nás astronomický soumrak celou noc, tj. nedochází k úplnému setmění.

Doba po západu (popř. před východem) Slunce, kdy světelné poměry

umožňují četbu běžného tisku, se nazývá občanský soumrak. Při bezoblačné obloze je tato podmínka splněna, není li slunce výše než 6 - 8 stupňů pod obzorem.

Od skončení občanského soumraku nastává tzv. nautický soumrak, který

trvá až do chvíle, kdy Slunce dosáhne polohy 12° pod obzorem. Od této chvíle je na obloze možno pozorovat již většinu hvězd viditelných pouhým okem.

Trvání soumraku je v různých místech zemského povrchu určeno jak

astronomickými činiteli (deklinací Slunce a zeměpisnou šířkou místa), tak i stavem

atmosféry. Nejkratší soumrak je na rovníku a jeho trvání se prakticky nemění.

Od určité zeměpisné šířky může dojít ke splynutí večerního a ranního

soumraku - tzv. bílé noci. V místech se zeměpisnou šířkou, kde Slunce po určitou část roku nezapadá nastává tzv. polární den, v opačném případě nastává polární noc.

Nápadným úkazem je rovněž soumrakové ozáření horských vrcholů,

projevující se načervenalým zabarvením vrcholů a svahů pozorovaných zdáli krátce po západu Slunce.

10.2 SOUMRAKOVÝ OBLOUK

Od okamžiku západu Slunce až do úplného setmění, můžeme brzy po západu

Slunce pozorovat nad východním obzorem tmavý oblouk, vroubený nahoře

načervenalým okrajem. Uvnitř má oblouk namodralý tón a postupem času se zvedá nad obzor. Jde o stín Země promítnutý do naší atmosféry, který nazýváme temný

soumrakový oblouk. Horní načervenalý lem kopírující tento oblouk pak nazýváme Venušiným pásem.

35

Červené zabarvení Venušina pásu je způsobeno tím, že sluneční paprsky

zapadajícího Slunce musejí procházet velmi silnou vrstvou vzduchu, v němž je, ať již

vlivem rozptylu, tak i pohlcením především vodním aerosolem, modrá složka světelného spektra odfiltrována. V konečném důsledku se tak světlo jeví jako načervenalé, tak jak jej známe z pozorování zapadajícího Slunce .

Ty části atmosféry, ležící uvnitř oblasti zemského stínu (temného pásu), který

má namodralé zbarvení, dostávají jen nepřímé, již jednou rozptýlené sluneční světlo.

K tomuto rozptylu dochází od atmosféry nad hranicí stínu, která je na obrázku 19 znázorněna úsečkou CS. V něm převládají krátkovlnné složky, které jsou i při druhé difúzi uvnitř stínu favorizovány oproti dlouhovlnným složkám. Jelikož se modrá složka nachází ve spektru v krátkovlnné oblasti, na rozdíl od složky červené, převládá její příspěvek k celkovému zabarvení stínu a stín tak nabývá namodralého tónu.

Obr. 25 Schéma k soumrakovým jevům V místě 0° zapadá Slunce a začíná občanský soumrak, v B končí občanský a začíná astronomický soumrak, v místě N končí astronomický soumrak a začíná noc. Hranice atmosféry jsou vyznačeny čárkovanou kružnicí

10.3 ČERVÁNKY

Patrně nejznámějšími soumrakovými jevy vůbec jsou červánky. Jsou to oblaka

ozářená červeným světlem zapadajícího Slunce.

Jestliže se Slunce večer postupně blíží k obzoru, dostává načervenalé

zabarvení a jeho tvar se stává vertikálně poněkud zploštělý v důsledku toho, že velikost astronomické refrakce roste s klesající úhlovou výškou nad obzorem a

celkově zdánlivě mírně zvětšený. Závislost indexu lomu vzduchu na vlnové délce světla může přitom za příznivých optických podmínek způsobit, že nejvíce červená je

dolní část slunečního disku, směrem nahoru na něm převládá žlutá barva a ve vzácných případech může horní okraj disku mít i zelený nádech. Současně se

zbarvuje obloha kolem Slunce, avšak často i na opačné straně oblohy. Po západu 36

Slunce zůstane po určitou dobu nad místem západu světelná skvrna, oranžová až červená, a po obloze se postupně rozšiřují barevné pásy, v nichž se směrem od

západní strany obzoru střídají po nebeské klenbě barvy spektra: červená, oranžová, žlutá, nazelenalá, namodralá až fialová. Tento sled barev je vytvářen vzájemnou

kombinací rozptylu slunečního světla v atmosféře a lomu rozptýlených paprsků, který je ovlivňován zvětšováním hodnoty indexu lomu vzduchu s klesající vlnovou délkou.

Červánky se vyskytují ještě nějakou dobu po západu Slunce a zanikají při

poloze Slunce kolem 5° pod obzorem. Zvláště intenzívní červánky bývají pozorovány

v případech nadměrného zakalení atmosféry aerosolovými částicemi, například po sopečných výbuších, velkých prachových bouřích a také při značném obsahu vodního aerosolu v atmosféře.

V lidové meteorologii se červánkům přisuzují různé prognostické prvky, mezi

které patří zejména předpověď zlepšení počasí.

10.4 KREPUSKULÁRNÍ (SOUMRAKOVÉ) PAPRSKY

Vycházejí přímočaře z místa, kde je nízko za obzorem skryto Slunce a mají

podobu kužele či vějíře, jehož vrchol směřuje ke Slunci.

Jejich vznik se vysvětluje působením oblaků, jež jsou při obzoru nebo za ním,

a které ovlivňují průchod slunečních paprsků atmosférou.

Tzv. antikrepuskulární paprsky lze pozorovat nejen ve směru zapadajícího

slunce, ale také na opačné straně, kde konvergují přímo do protislunečního bodu.

Někdy je lze pozorovat z letadel. Jedná se o stín vrhaný letícím letadlem, který

pozorujeme ve směru od Slunce. Ten by sám o sobě však viditelný nebyl, neboť se

promítá na vzdálenou plochu, avšak jestliže je vzduch, do kterého je stín vrhán, znečištěn vodním aerosolem, vytváří se známý Tyndallův jev, který tento stín svými paprsky jakoby lemuje. Pokud dojde k vytvoření vhodných podmínek a nastane

spojení těchto jevů, můžeme pozorovat paprsky, které vlivem perspektivy míří do tzv. protislunečního bodu, ve kterém bychom pak při detailním pozorování mohli uvidět stín již zmíněného letadla.

37

10.5 ZELENÝ PAPRSEK

Vzácně lze pozorovat tzv. zelený paprsek, zelený záblesk, krátkodobé

zabarvení oblohy, vycházející zdánlivě z vrchního okraje slunečního nebo měsíčního kotouče při jejich východu nebo západu.

Je pozorovatelný pouze v případě čisté atmosféry (velmi malého zakalení

vzduchu prachovými částicemi, vodními kapičkami nebo ledovými krystalky).

Možnost uvidět zelený paprsek tedy závisí na složení atmosféry v okamžiku

západu nebo východu Slunce. To značí, že pozorování zeleného paprsku informuje o

složení atmosféry. Zelený paprsek se stane viditelným, je-li atmosféra průzračná a obsahuje-li málo vodních par. Nejkratší vlnové délky světla (fialová a modrá barva) jsou molekulami vzduchu velmi účinně rozptylovány. Zejména voda účinně pohlcuje

ultrafialové záření, tedy záření o krátkých vlnových délkách, částečně i fialovou

složku viditelného světla. Čím více je voda ve formě jemného aerosolu v atmosféře

přítomna, tím více je fialová složka slunečního světla odfiltrována a tím více vynikne barva červená. Modrý záblesk v okamžiku západu Slunce je proto jevem zcela

výjimečným.Je-li Slunce při západu červené, je možné předem tvrdit, že se zelený paprsek neobjeví. Jestliže naopak při přiblížení k obzoru Slunce změnilo málo své

bílo-žluté světlo a zapadá velmi jasné, pak je možné s velkou pravděpodobností

očekávat objevení zeleného paprsku. Nutné však je, aby obzor byl vymezen ostrou čárou, bez jakýchkoli nerovností.

10.5.1

Princip

Jev se vysvětluje lomem a rozptylem světla blízko obzoru, a to nejčastěji nad

rovnou mořskou hladinou nebo při pozorování na horách nad rovnou horní hranicí nízkých vrstevnatých oblaků.

Protože index lomu obecně závisí na vlnové délce elektromagnetického

záření, jeví světelné paprsky tvořené nemonochromatickým zářením při lomu

disperzi. Velikost indexu lomu roste s klesající vlnovou délkou, což znamená, že

astronomická, zemská, popř. boční refrakce bude o něco větší pro krátké vlnové

délky z modrofialového konce spektra viditelného záření než pro větší vlnové délky z

červeného konce. To se děje v míře tím větší, čím je Slunce blíže k obzoru. Modré paprsky slunečního světla přicházejí k pozorovateli strměji než paprsky červené,

38

proto modrý obraz slunečního kotouče leží výše než červený (obr. 25). Mezi oběma pak leží obrazy v ostatních spektrálních barvách.

Obr. 26

Schéma k výkladu vzniku zeleného paprsku

Při západu Slunce (a analogicky i při jeho východu) nastává situace, kdy větší

vlnové délky z červeného konce spektra jsou již (ještě) "zapadlé" za obzorem, zatímco zelenou, modrou a fialovou barvu lze ještě (již) po několik sekund vnímat.

Doba trvání zeleného paprsku je velmi krátká, závisí na zeměpisné šířce místa

pozorování a na ročním období. Nejdelší pozorovaná doba je asi 3,5 sekundy. Nejkratší je v době jarní a podzimní rovnodennosti, kdy Slunce je nad rovníkem,

nejdelší pak v době letního a zimního slunovratu, kdy je Slunce od rovníku nejvíce vzdáleno. Pozorování zeleného paprsku však může v extrémních případech činit i mnohem déle, i několik desítek minut.

10.6 FIALOVÁ ZÁŘE

Fialová záře je záře pozorovaná na bezoblačné obloze ve tvaru výseče

velkého světelného kruhu. Šíří se vzhůru od obzoru, za nímž se nalézá Slunce. Její

intenzita i velikost se zvětšují až do polohy Slunce 3° až 4° pod obzorem a mizí při

poloze Slunce 6° pod obzorem. Celý jev trvá asi 20 až 30 minut a jeho intenzita vzrůstá s průzračností vzduchu a s nadmořskou výškou místa pozorování.

10.7 ZDÁNLIVÉ ZVĚTŠENÍ SLUNEČNÍHO NEBO MĚSÍČNÍHO DISKU

Tento jev nepatří mezi soumrakové jevy, ale souvisí s východem a západem

Slunce či Měsíce. Je založen na lomu světelných paprsků při průchodu atmosférou, kdy se Slunce nebo Měsíc nacházejí poblíž obzoru.

Pozorovatel vnímá sluneční nebo měsíční disk jednak mírně zvětšený a

jednak také o něco výše (bod B‘), než kde se ve skutečnosti nachází (bod B). d’

vyjadřuje průměr kotouče. Tečna k místu pozorovatele vyjadřuje ideální horizont. Při 39

východu či západu Slunce či Měsíce dochází občas také k zčervenání jejich kotoučů. Příčinou tohoto jevu je opět kromě lomu a rozptylu světla také absorpce.

Obr. 27

Zdánlivé zvětšení slunečního nebo měsíčního disku

Sluneční nebo Měsíční disk vnímáme o něco výše nad obzorem, než

odpovídá jeho skutečné poloze (zároveň zdánlivé zvětšení Slunečního nebo Měsíčního disku) v důsledku astronomické refrakce.

11

JEVY PODMÍNĚNÉ ATMOSFÉRICKOU REFRAKCÍ

11.1 ZVEDNUTÍ OBZORU

Terestrickou refrakcí dochází k mírnému zvětšení zdánlivého obzoru. Přibližně

kulový tvar Země omezuje teoretickou přímou viditelnost předmětů na zemském

povrchu. Předpokládejme, že pozorovatel P se nachází v určité výšce h=|PM| nad

zemským povrchem (obr. 27 ). Tečny PB a PB1 vedené z bodu P určují geodetický

(někdy nazývaný též geometrický) obzor. Úhel α mezi matematickým obzorem a

tečnou k zemskému povrchu se nazývá geodetická deprese obzoru. Kdyby

neexistovala refrakce, pak by světelné paprsky byly přímkové a z bodu P by bylo vidět povrch omezený obloukem BB1. Ovšem v důsledku refrakce dopadají do oka pozorovatele světelné paprsky i ze vzdálenějších bodů, tj. krajní viditelná mez

zemského povrchu se posunuje do bodů CC1. Obzor se jeví jako rozšířený a

vyzdvižený vzhledem ke geodetickému (rozšířený obzor je vidět ve směru tečny k trajektorii paprsku PC, tedy ve směru tečny t).

Obr. 28

Schéma zvednutí obzoru 40

V běžných případech, kdy hustota vzduchu klesá v atmosféře s výškou, se

světelné paprsky procházející šikmo ovzduším zakřivují v důsledku lomu ve stejném

smyslu, jako je zakřiven zemský povrch. Paprsky pak pronikají i poněkud za obzor a dochází tak k jeho zdánlivému zvednutí. Zvednutí obzoru je tím výraznější, čím rychleji klesá hustota vzduchu s výškou. Zvláště příznivé podmínky pro jeho

pozorování se vyskytují za situací s mohutnými přízemními inverzemi teploty, kdy se u zemského povrchu nalézá relativně těžký studený vzduch, zatímco teplota roste s výškou, a hustota vzduchu směrem vzhůru proto klesá relativně velmi rychle.

11.2 SNÍŽENÍ OBZORU

V případě, že se pozorovatel (na obr. 28) nalézá mezi objektem A, a bodem

totálního obrazu O, nepozoruje spodní zrcadlení, ale objekt se mu jeví nepřevrácený poněkud níže než se ve skutečnosti nalézá. Tímto způsobem vzniká tzv. snížení obzoru.

11.3 ZRCADLENÍ V ATMOSFÉŘE

S větší vzdáleností od zemského povrchu se vrstva vzduchu stává řidší. Za

normálních podmínek hustota vzduchu klesá se vzrůstající výškou. Světlo se láme

směrem ke studenějšímu vzduchu. Když paprsky putují kolem zemského povrchu,

vzduch pod nimi je proto hustší než nad nimi. Jedna z typických vlastností světla je, že se láme směrem k hustšímu prostředí, a proto paprsky nad zemským povrchem,

ačkoliv se lámou téměř konstantně směrem dolů, kopírují zakřivení země namísto

aby směřovaly ven do vesmíru. Proto jsme schopni při pohledu na vzdálený horizont vidět objekty, které jsou ve skutečnosti už za horizontem.

Zrcadlení nevzniká tehdy, vane-li vítr, neboť v tomto případě dochází k

promíchávání vrstev vzduchu, a vzduchové vrstvy při povrchu Země se stávají homogenní.

V souvislosti s optickými přeludy vytvářenými v atmosféře svrchním a spodním

zrcadlením, popř. jejich kombinací, se často používá název fata morgána, který však nemá charakter striktně odborného termínu. V původním smyslu jde, dle literárních

pramenů, o staré lidové označení klamných obrazů v ovzduší pocházející z oblasti Messinské úžiny.

41

(Podle jedné legendy byl jev pojmenován po zlé nevlastní sestře krále Artura,

čarodějnici Morgan le Fay, která žila v křišťálovém paláci pod mořskými vlnami a svoji magickou sílu ukazovala vytvářením přeludů.)

11.3.1

Spodní zrcadlení

Při velmi intenzivním ohřívání zemského povrchu slunečním zářením, nebo

teplotních rozdílech mezi vzduchem a vodní hladinou, někdy vzniká situace, za níž v přehřáté přízemní vrstvě vzduchu, silné několik centimetrů až několik metrů, hustota vzduchu s výškou roste.

Odražené světlo ze vzdálených objektů se k pozorovateli může dostat dvojí

cestou. „Normální“ cestou paprsku, kdy kopíruje zemský povrch, nebo cestou, kdy uvažovaný paprsek postupuje z objektu přehřátou přízemní vrstvou, lomí se nejprve od kolmice, k povrchu, jeho úhel dopadu roste až dosáhne kritických hodnot pro totální odraz, odráží se vzhůru směrem k chladnějšímu vzduchu a začne se lámat ke

kolmici. Pozorovatel pak ve směru tečny vedené ze svého oka k danému paprsku

vidí zrcadlově převrácený obraz objektu; vidí dva obrazy, jeden normální a druhý zrcadlově převrácený obraz objektu těsně pod ním. Lze tak vysvětlit situace, kdy člověk vidí nad pouštním pískem nebo nad rozpáleným asfaltem vodu, což je vlastně jen spodní zrcadlení oblohy.

Obr. 29 Spodní zrcadlení: P-pozorovatel, O-bod kritické hodnoty potřebné pro totální odraz, A-pozorovaný objekt, A´-zrcadlově převrácený obraz

11.3.2

Svrchní zrcadlení

Vznik svrchního zrcadlení je typický pro oblasti vyznačující se výskytem

mohutných výškových inverzí teploty. Patří sem především polární oblasti a v

některých případech oblasti suchých tropických pásů (pouští). Ve druhém z těchto případů však vlastní jev svrchního zrcadlení může být kombinován se spodním

zrcadlením v silně přehřáté přízemní vrstvě vzduchu, což má za následek, že

zdánlivý obraz vzdálených objektů vidíme nepřevrácený a těsně při obzoru (ve skutečnosti znovu převrácený do přirozené polohy). U nás je svrchní zrcadlení 42

poměrně řídkým jevem, a pokud se vyskytne, bývá to zpravidla v zimním období, neboť v chladné části roku jsou v našich oblastech podstatně příznivější podmínky pro vytváření mohutných teplotních inverzí než v létě.

Schématické znázornění svrchního zrcadlení je vidět na obr. 29. Světelný

paprsek 1 vycházející z místa A postupuje atmosférou šikmo vzhůru. Následkem poklesu hustoty vzduchu, a tím i indexu lomu s výškou dochází k lomu od kolmice.

Pokud hustota vzduchu klesá s výškou velmi rychle (typické pro vrstvy s

teplotními inverzemi, kdy je studený povrch překrytý teplou vrstvou vzduchu, na obr. vrstvy I a II) úhel dopadu, tj. úhel sevřený paprskem a vertikálou, může nabít kritické

hodnoty pro totální odraz (situace na obr. 29 v bodě C1) a to v místě na rozhraní s teplou vrstvou.

Paprsek se potom ohne zpět k zemskému povrchu, ve stále hustších a

chladnějších vrstvách se láme ke kolmici a míří do oka pozorovatele (bod B). Odsud

lze potom ve směru tečny k paprsku 1, která směřuje k bodu A´, spatřit převrácený obraz situace v místě A, jež se může nalézat za geometrickým obzorem.

V případě, kdy v atmosféře existuje více vrstev s teplotní inverzí nad sebou,

může dojít k úkazu, při němž lze pozorovat vícenásobně svrchní zrcadlení (dva nebo i více obrazů vzdálených objektů nad sebou). Na obr. 29 Je zakreslen paprsek 2, který je totálně odrážen v bodě C2 na teplotní inverzi II místa A znázorněný jako A´´.

Obr. 30

Svrchní zrcadlení

11.4 PRODLOUŽENÍ TRVÁNÍ DNE

Následkem astronomické refrakce jsou zenitové vzdálenosti těles na obloze

menší než ve skutečnosti. Tento jev je zvláště patrný u hvězd při obzoru. Proto vidíme Slunce a jiné hvězdy ještě určitou dobu po jejich západu.

43

Analogické jevy nastávají při východu Slunce. Následkem toho se prodlužuje

trvání dne. V našich zeměpisných šířkách asi o 8 - 12 minut, ale za polárním kruhem se trvání polárního dne prodlužuje až o několik dní a polární noc se zkracuje.

11.5 ZMĚNA TVARU SLUNEČNÍHO A MĚSÍČNÍHO KOTOUČE V BLÍZKOSTI OBZORU

Ke změně tvaru slunečního a měsíčního kotouče u obzoru dochází vlivem

astronomické refrakce. Částečné zploštění Slunce ve vertikálním směru vysvětlíme takto: následkem refrakce je spodní okraj Slunce u obzoru zvýšen více (asi o 350)

než horní okraj. Průměr Slunce se tedy jeví zkrácený. Stejně to platí i pro kotouč Měsíce.

11.6 MIHOTÁNÍ VZDÁLENÝCH ZDROJŮ SVĚTLA

Velmi jednoduchým optickým úkazem je mihotání vzdálených zdrojů světla

(hvězd, přibližně bodových umělých zdrojů apod.). Tento jev je způsobený prostorovými a časovými fluktuacemi indexu lomu, které vznikají následkem

turbulentního promíchávání vzduchu (vzduch si můžeme myšlenkově rozdělit na objemové elementy o poněkud různé teplotě, a tím i odlišné hustotě).

12

OSTATNÍ OPTICKÉ ÚKAZY

V atmosféře lze pozorovat optické úkazy, z nichž některé nejsou zahrnovány

do skupiny fotometeorů. Jedná se např. o Bishopův kruh a Tyndallův jev. Mezi neznámější a nejhojněji se vyskytující patří zástupci elektrometeorů, což jsou jevy spojené s výměnou a přenosem atmosférické elektřiny. Patří sem polární záře,

blesky, Eliášův oheň, a meteory.

12.1 POLÁRNÍ ZÁŘE 12.1.1

Charakteristika

Polární záře je projevem elektricky nabitých částic ve vysokých vrstvách

atmosféry. Jde o jejich interakci s molekulami silně zředěných plynů v magnetickém poli Země. Podle vzhledu rozlišujeme tzv. drapérie, koróny a paprsky.

12.1.2

Vznik

V důsledku sluneční aktivity je vyzařována plazma tvořená nabitými částicemi,

protony a volnými elektrony, tzv. sluneční vítr. Částice tohoto větru o rychlosti 300 až 1200 km/s vtáhne do horních vrstev atmosféry (ionosféry) zemské magnetické pole, kde tyto částice narážejí na molekuly vzduchu a přitom dochází k uvolňování energie 44

ve formě světla. V důsledku těchto srážek jsou molekuly a atomy vzduchu při změnách svých kvantových stavů excitovány a vysílají pak záření odpovídající příslušným spektrálním čárám. Tyto částice konají pohyb podél siločar zemských magnetických pólů. Vzniká tak hra světel která je neustále v pohybu.

Polární záře je nejčastěji zabarvená zeleno-žlutě, nebo do červena, což je

způsobeno kyslíkem obsaženým v atmosféře, nebo do modra až fialova, na což má vliv v atmosféře přítomný dusík.

12.1.3

Výskyt

Jedná se o jev ke kterému nejčastěji dochází přibližně ve výšce 60 – 600 km

nad zemským povrchem, v polárních oblastech zhruba v prstencích 23 stupňů níže pod severním a jižním magnetickým pólem. Na severní polokouli jí nazýváme aurora borealis. Stejný jev odehrávající se na opačné straně zeměkoule, nad jižním

magnetickým pólem, je nazýván aurora australis. Lze ji ale také spatřit i v mírných zeměpisných pásech i blíže k rovníku, ovšem vzácněji.

Intenzita výskyt polárních září silně závisí na sluneční činnosti. Množství

částic slunečního větru se mění během jedenáctiletého cyklu, v souvislosti s nejvyšším výskytem skvrn na povrchu Slunce. K jevu pak nejvíce dochází v momentě

kdy dochází k náhlé změně počtu slunečních skvrn, ať již k úbytku nebo ke zvýšení počtu. Okamžitě po jejich minimu a maximu se vyskytuje v průměru méně

pozorování. Pohyb magnetických polí souvisí také s periodou 27 dnů, jak odpovídá době otáčení Slunce.

Obr. 31

Oblast výskytu severní polární záře

Největší pravděpodobnost tohoto jevu nastává v obdobích září – říjen a únor

březen, kdy jsou zaznamenány celé tři pětiny celoročních pozorování. Během léta a

vánočních svátků dochází k mírnému útlumu aktivity, což je způsobeno nepříznivou orientací zemského magnetického pole vůči Slunci. 45

Při tomto jevu dochází k uvolnění až 100.000 MW elektrické energie, což

může způsobit rušení rádia, televize a elektrických sítí. (Nyní je cyklus v takové fázi,

kdy dochází k růstu výskytu slunečních skvrn a tím také k hojnosti výskytu polární záře).

Tab. 3. Barvy polární záře

(Pozn.: Představy o vzniku polárních září byly potvrzeny i mezinárodním

experimentem v roce 1975. Nad francouzským souostrovím Kerguleny v Indickém

oceáně byl raketou vynesen urychlovač elektronů, tzv. elektronové dělo, do výšky 20000 km a z něho byl vystřelen svazek elektronů podél magnetické siločáry.

Elektrony proletěly až na severní polokouli a vyvolaly nad severním Ruskem umělou polární záři.)

12.2 BLESKY

Blesky jsou elektrické výboje doprovázený vysokou ionizací vzduchu ve

značném prostorové rozsahu.V zásadě lze rozlišit blesky uvnitř bouřkového oblaku, tj. výboje mezi horním kladným a dolním záporným centrem elektrického náboje,

popř. výboje mezi těmito centry dvou různých vzájemně blízkých oblaků nebo

bouřkových buněk, a tzv. blesku do země, tzn. mezi dolním záporným (méně často dolním kladným) centrem a zemským povrchem. Blesky doprovází hřmění, což je akustický projev bleskového výboje.

Podle tvaru můžeme blesky rozdělit na:

•

Čárový blesk

Je to nejčastější forma blesku. Má tvar lomené nebo klikaté, jasně svítící

jediné čáry, která je dráhou elektronů pohybujících se rychlostí blížící se rychlosti 46

desetiny rychlosti světla, tedy 3.104 km/s. Záblesk výboje trvá řádově tisíciny sekundy. Průměrná délka viditelné části blesku je ve většině případů asi 2 – 3 km.

Jsou ale zaznamenány případy, kdy délka blesku probíhajícího mezi oblaky

dosahovala 15 – 20 km. Průměr je odhadnut zhruba na 16 cm, v jednotlivých případech až 40 cm. •

Rozvětvený blesk

Připomíná kořenový systém stromu s hlavní větví a postranními větvemi.

Právě ve větvení proudového kanálu je spatřována nebezpečnost tohoto blesku, neboť má větší pustošící schopnost než blesk čárový. •

Plošný blesk

Bezhlučný bělavý záblesk části bouřkového oblaku trvající zlomek sekundy. Je

rozdílný od osvětlení oblaku, způsobeného odraženým světlem od vzdáleného a přímo neviditelného čárového blesku a které označujeme jménem blýskavice. •

Kulový blesk

Je zvláštní a dodnes ne zcela prozkoumanou formou blesku. Objevuje se

obyčejně po silném výboji čárového blesku a podobá se svítící kouli, někdy protažené do podoby hrušky. Rozměry těchto blesků, pozorovaných u zemského

povrchu jsou v průměru 10 – 20 cm, někdy mohou dosáhnout až několika metrů v průměru.

Doba jeho trvání je od několika sekund až do minuty. Rychlost jeho pohybu je

nepatrná, několik sekund může setrvat i na místě.

Neexistuje spolehlivé a jednotné vysvětlení tohoto úkazu. Mnohé mluví pro to,

že kulový blesk není zvláštním druhem elektrického výboje, nýbrž představuje

zvláštní fyzikálně chemický proces, doprovázející výboj. Další teorie říká, že kulový blesk je shluk plasmy, tj. ionizovaného plynu, složeného ze směsi iontů vzduchu a molekul vody vytvářejících složité komplexy, tzv. klastery. Podle jiného pohledu se tvoří redukcí křemíku z křemičitanů nalézajících se na zemském povrchu v místě, kde udeřil klasický blesk. •

Růžencový blesk

Má podobu šňůry s navléknutými korálky, má velmi krátké trvání a převládají

domněnky, že jednotlivé „korálky“ jsou kulovými blesky. 47

12.2.1

Vznik blesku

První fáze blesku je tvořena tzv. vůdčím výbojem (leader), který vytvoří opticky

patrný kanál vysoce ionizovaného a zahřátého vzduchu, jímž pak po určitý časový interval protéká elektrický proud. Podle intenzity jednotlivých pozorovaných

spektrálních čar plynů tvořících součást vzduchu lze soudit, že teploty v kanálech blesků dosahují hodnot až kolem 25000 K.

Předběžný slabý výboj (leader), směřující dolů a velmi silně se větvící, začíná

na některém místě ze spodní, záporně nabité části mraku. Tento náboj si jakoby

jednotlivými nárazy probíjí postupně cestu k zemskému povrchu a tvoří kanál blesku, zaplněný velkými zápornými objemovými náboji. Současně se shromažďují na

zemském povrchu indukované velké náboje. Když je cesta mezi mrakem a zemí

úplně připravena, proběhne po ní hlavní náboj, který se rozvíjí v opačném směru, tj.

zespoda vzhůru a v něm probíhá neutralizace zde nahromaděných záporných nábojů

náboji opačného smyslu, indukovanými na zemském povrchu. Záporný náboj z kanálu blesku přejde prakticky okamžitě do země.

Obr. 32

Vývoj bouřkového výboje mezi mrakem a zemským povrchem. a, b, c dávají vývoj prvního impulzu; d, e, f opakované výboje.

Kanál jako takový se uchovává nějakou dobu po prvním výboji, což má za

následek procházení opakovaných výbojů blesků po stejné cestě za poměrně krátké zlomky doby.

12.3 ELIÁŠŮV OHEŇ

Tento úkaz je označován též jako oheň svatého Eliáše či Eliášovo světlo.

Při bouřkách může na uzemněných hrotech a vyvýšených kovových

předmětech docházet k naakumulování náboje a k výbojům atmosférické elektřiny.

Vzniká tak, že kolem bodového vodiče (hrotu) dochází k deformaci (zhuštění)

siločar, zesílení elektrického pole a vytvoření podmínek pro ionizaci nárazem. Vytvoří 48

se oblak iontů, z něhož jsou uzemněním odváděny k zemskému povrchu ty částice, které nesou vzhledem k zemi náboje opačného znaménka. Tento děj se nazývá hrotovým (bodovým) výbojem.

Silné hrotové výboje jsou provázeny i zvukovými efekty (praskáním) a někdy

dobře patrnými zrakovými vjemy spočívajícími v jiskření a sršení různých kovových hrotů, špiček stožárů, věží apod.

Obr. 33

Elektrické siločáry pod bouřkovým oblakem; na dolní části obrázku deformace jejich pole při hrotovém výboji.

Intenzita hrotových výbojů a výraznost doprovodných jevů je úměrná rozdílu

elektrického potenciálu mezi uzemněným bodovým vodičem a okolním vzduchem,

což je totéž jako potenciální rozdíl mezi zemským povrchem a hladinou ovzduší, kde se daný bodový vodič nalézá. Intenzita hrotových výbojů se také poněkud zvyšuje s rostoucí rychlostí větru.

(Pozn.: Na principu odsávání elektrického náboje z dolní části bouřkových

oblaků prostřednictvím hrotových výbojů byl založen v polovině 18. století bleskosvod (hromosvod) Prokopa Diviše.)

12.4 TYNDALLŮV JEV

Tyndallův jev je založen na difúzním rozptylu světla procházejícím opticky

heterogenní soustavou, projevující se tím, že dráha paprsku procházejícího dispersí pozorovaná kolmo k jeho směru, je viditelná. Z bílého světla se rozptylují nejvíce záření o kratší vlnových délkách a rozptýlené světlo pak nese modrobílý nádech.

12.5 BISHOPŮV KRUH

Bishopův kruh je zvláštním a ojedinělým optickým jevem. Lze jej pozorovat za

jasné oblohy jako červenohnědý prstenec kolem Slunce, jehož vnitřní okraj má rozměry kolem 10° a vnější kolem 20°. Při snižování výšky Slunce nad obzorem se

oba poloměry zvětšují. Vzniká ohybem světla na pevných částicích, obvykle

vulkanického původu. Podle pořadí barev (vnější červený okraj) by se dal zařadit 49

mezi glorie. Úkaz je nazván podle S. Bishopa, který jej poprvé pozoroval a popsal 5. září 1883 v Honolulu po výbuchu sopky Krakatoa.

12.6 METEORY

Meteor je optický úkaz pozorovaný na temné obloze v podobě na okamžik

zářící jasné světelné úsečky. Jeho příčinou je malé tělísko o velikosti mikrometrů až

milimetrů obíhající po eliptické dráze kolem Slunce rychlostí v řádech kilometrů za sekundu. Dojde-li k náhodnému setkání tělíska se Zemí, vniká toto tělísko do našeho

ovzduší a svým průletem atmosférou se silně zahřívá a budí okolní částice vzduchu k

záření. Při průletu atmosférou dochází na straně tělíska k roztavování povrchových vrstev popř. i celého tělesa vlivem tření tělíska o molekuly vzduchu. Během noci lze napozorovat několik náhodných meteorů, avšak v určitých časových obdobích během roku se setkáváme s pravidelnými meteorickými roji. Nejznámějšími jsou Perseidy, které pozorujeme v nocích mezi 10. a 14. srpnem. Někdy můžeme

napozorovat i více než 100 meteorů za hodinu. Mnoho meteorických rojů vzniká oddělováním částic z určité komety. Meteorické roje jsou pojmenovány podle

souhvězdí, ze kterého zdánlivě vyletují a zdánlivý bod na nebeské klenbě, odkud se pozorovateli jeví, že odtud meteory vyletují, se nazývá radiant. Tělesa jejichž průlet atmosférou pozorujeme jako meteory nikdy nedosahují zemského povrchu, neboť se v zlomcích sekundy vypaří do atmosféry. Ty, která při průletu atmosférou dosahují

jasu většího nebo srovnatelného s planetou Venuší, nazýváme bolidy. Největší z nich

o velikosti v řádech centimetrů a větší, však již mohou ve vzácných případech zemského povrchu dosahovat.

50

ZÁVĚR:

Úkolem této práce bylo shrnout zajímavé optické jevy do ucelené formy včetně

náhledu některých jevů ve fotografii, které jsou v samostatné příloze na cd. Variabilita

i místa jejich vzniku by umožňovala mnohem větší zastoupení obrázků jednotlivých jevů, ale protože fotografie zde slouží pouze jako ukázka toho, jak vypadají, bylo nutné vybrat z velkého množství jen některé.

Téměř každý z nás měl alespoň jednou možnost spatřit neobvyklý optický

úkaz. K tomu, aby byly správně pojmenovány a poznány může posloužit i moje bakalářská práce.

51

POUŽITÁ LITERATURA:

1. BEDNÁŘ, J. Pozoruhodné jevy v atmosféře. Academia, Praha 1989

2. CAMPBELL, CH. J., KOESTER, CH. J. et al. Physiological Optics. 1974 3. CLIER, E. Optika

4. HVĚZDÁRNA A PLANETÁRIUM HL. MĚSTA PRAHY. Optické úkazy v ovzduší, 1999

5. KUBĚNA, J. Úvod do optiky. MU v brně, sekce fyziky, 1994

6. SVOBODA, E. a kol. Přehled středoškolské fyziky. Nakl. Prometheus, spol. s.r.o, 1998

7. TVERSKOJ, P. N. Optické, elektrické a akustické jevy v atmosféře. Praha, 1955

8. WWW stránky dostupné z: http://www.astro.cz

http://www.astronomie.cz/data/Atm_opt_jevy.pdf http://navod.hvezdarna.cz/navod/halo.htm

http://www.portal.cz/scripts/detail.asp?id=2125 http://science.nasa.gov/

http://www.astronomie.cz/modules.php?name=News&file=article&sid=677 http://bourky.astronomie.cz/

http://www.halo.astronomie.cz/pozorovani/halasez.php http://www.astronomie.cz/data/uvod_do_meteo.pdf

http://vega.fjfi.cvut.cz/docs/sfbe/opt_jevy/opt_jevy.html http://cimss.ssec.wisc.edu/wxwise/class/iredsnce.html

http://ww2010.atmos.uiuc.edu/(Gh)/guides/mtr/opt/wtr/coro.rxml http://www.atoptics.co.uk/

http://home.swipnet.se/matsm/english/

http://www.polarx.net/noctilucentclouds.htm 52

http://www.gi.alaska.edu/ScienceForum/ASF6/676.html

http://www.meteo.helsinki.fi/~tpnousia/nlcgal/nlcinfo.html http://aurora.troja.mff.cuni.cz/20-11-2003/

http://www.severskelisty.cz/priroda/prir0111.htm http://www.geo.mtu.edu/weather/aurora/

http://climate.gi.alaska.edu/Curtis/curtis.html

http://virtual.finland.fi/finfo/english/aurora_borealis.html http://alaskascience.com/aurora.htm

http://www.pef.zcu.cz/pef/kof/diplomky/diplomka/html/obsah.htm http://www.spaceweather.com/

http://www.meteoros.de/indexe.htm

http://www.teuva.fi/koulut/komsi/halot/

http://fyzika.gbn.cz/phprs/view.php?cisloclanku=2004090901

53