LICHT IN 'T VRIJE VELD

LICHT IN 'T VRIJE VELD.

De natuur om ons heen toont een grote yerscheidenheid aan lichtverschijnselen. Het meest bekend is de kleurrijke regenboog, die we zien als de druppels van een regenbui door de zon beschenenworden. De regenboogis een van de verschijnselen die ontstaan doordat het zonlicht, alvorens een waarnemer te bereiken, bij zijn weg door de dampkring van richting is veranderd. Deze richtingsveranderingen of deviaties hebben verschillende oorzaken. Kleine deviaties (minder dan 1o) hangen samen met de dichtheidsopbouw van de atmosïeer. Zn zijn o.a. zichtbaar aan de vorm van de zonneschijf bij lage zonnestanden. Waterdruppels en ijskristallen in de atmosfeer veroorzaken veel grotere veranderingen van de richting van het invallende zonlicht; hierbij ontstaan alledei witte of gekleurde lichtvlekken aan de hemel. Door buigingvan het licht van zon of maan aan wolkendeeltjes treden deviaties op tot ca. l0'. Zo worden de krsnsen gevormd, 's kleurrijke ringen, die vooral nachts rond de maan makkelijk zichtbaar zijn. Terugkaatsing en breking van licht aan ijskristallen in de dampkring geven aanleiding tot allerlei áaloverschijnselen. Bij het meest voorkomend haloverschijnsel, de kleine kring, bedraagt de deviatie 22", maar ook andere waarden komen voor. Nog weer grotere richtingsveranderingen van het invallende zonlicht worden veroorzaakt door vallende regendruppels; hier bedraagt de meest voorkomende waarde van de deviatie 138" en het bijbehorende lichtverschijnsel is de regenboog. Deviaties van ca 180o treden op in wolkendruppeltjes en dauwdruppels. Op deze manier worden de'glorie' en de'heiligenschijn'gevormd. Deze zijn zichtbaar rond de schaduw yan een waarnemer op mist of wolken resp. bedauwd gras of

3

ter een gelegenheidyoor, b.v. aan de kust of op grote hoogte, dan is steeds zichtbaar dat de veÍtikale diameter van de zonneschijf kleiner is dan de horizontale, zodat de zon afgeplat lijkt. Deze sÍpla.tting, die met het blote oog te zien is, hangt samen met de manier waarop lichtstralen zich in de dampkring voortplanten. Met het afnemen van de dichtheid van de lucht met toenemende hoogte wordt ook de waarde van de brekingsindex kleiner. Het zonlicht beschrijft hierdoor gekromde banen (zie plaat A) met als gevolg dat we de zon en andere hemellichamen hoger aan de hemel zien staan dan zonder atmosfeer het geval zou zijn (zie fig. 2)' Naarmate een punt zich verder van het zenit (zie fig. 1) bevindt, is 'optilling' die door de atmosfeer veroorzaakt wordt groter. de lZenit

WaaÍn€m€í l.

AÍstanden op de hemelbol. Een waarnetner W bevindt zich altijd ín het middelpunt van de hemelbol. Het punt recht boven de waarnemer op de hemelbol is het zenit- Het horizontale vlqk waarin de waarnemer zich bevindt snijdt de hemelbol volgens een cirkel: d.ehorizon (d.ezevqlt dus niet noodzakelíjkerwijs samen met de kim, de grens tussen land of zee en lucht). De aJstsnd tussen tweepunten op de hemelbol bedraagt 22" als hoek (AWB) : 22".

A.

Een lichtstraal vqlt horízontaal in op een suíkeroplossing. Onderin is de suikelconcentratie hoger dan bovenin, zodat de brekingsíndex naqr boven toe aÍneemt. Daardoor volgt de lichtstraal een gekromde baan. Hetzelfde verschijnsel treedt op in onze dampkring. Daar neemt de brekingsindex eveneensnaar boven toe af door het íjler worden van de lucht. Lichtstrslen volgen in de dampkring dan ook gekromde banen. (Het cilinderglas Iinks dient om de richting vqn het invallende licht zichtbaar te maken).

riet. De genoemde verschijnselen zullen worden besproken in de aangegevenvolgorde, dus beginnend bij kleine deviaties en eindigend bij een deviatie van ca 180o. De deviaties bepalen tevens de plaats aan de hemel waar een verschijnselkan worden waargenomei . Zn bevindt de regenboog (deviatie 138') zich op een afstand van l38o van de zon. Dat wil zeggendat, wanneer we met de ene arm in de richting van de zon wijzen en met de andere in de richting van de regenboog de hoek tussen beide armen 138o bedraagt. Evenzo bevindt de kleine kring (deviatie 22) zïch op een afstand yan 22o yan de zon enz. (zie ïig. 1). Bij het bespreken van de verschijnselenbeginnen we dus bij de zonnesclrijf en richten we onze blik vervolgens steeds verder van de zon af om te eindigen in het punt recht tegenover de zon (het tegenpunt van de zon). Tot slot zal worden nagegaan of de komst van de gloeilamp en andere kunstmatige lichtbronnen het aantal waarnemingen van de genoemde verschijnselen heeft vergroot, doordat ze evenals de zon of de maan als lichtbron kunnen optreden, De laagstaande zon. De veranderingen van richting die het zonlicht ondergaat t.g.v. de dichtheidsopbouw van de atmosfeer zijn weliswaar gering (minder dan 1o), maar de €rdoor veroorzaakte verschijnselenzijn zeer spektakulair. De platen B t/m I geven een indruk van de yerscheidenheid aan vormen, die de zonneschijf vlak na zonsopkomst of kort voor zonsondergang kan yertonen, De laagstaande zon is in ons land niet dagelijks zichtbaar. Vaak wordt hij door bewolking aan het oog onttrokken. Ook beschikken we meestal niet over een vrijë horizon zonder gebouwen, bomenrof heuvels. Doet zich ech-

Zo wordt ook de onderrand van de zon meer opgetild dan de bovenrand, waardoor de zonneschijf in vertikale richting \yordt samengedrukt en de ovale vorm ontstaat (plaat B).

20 i

meeste punten van de zon zal een kleine verplaatsing niet opvallen omdat deze door een verplaatsing van andere punten van de zonneschijf weer ongedaan gemaakt wordt. Aan de rand geldt dit echter niet, zodat deze een rafelig aanzien krijgt. Het yerschijnsel van de rafels is in wezen hetzelfde als 's het twinkelen of scintilleren van de steffen, dat nachts kan worden waargenomen.

2.

Door de atmosferische straolkromming neemt men sterTenen and.erepunten qsn de hemelbol hoger \)aar dtn zonder atmosfeer het geval zou zijn.

B. Zonsondergang29 apil 1978 te Wieland. De zonneschijf is ovqal; de vertikale díameter vsn de zonneschiif is kleiner dan de horizontsle.

'storingen' op de ovale vorm Kartels zijn wat grotere, hoekige van de zon, die aan beide zijden van de zon op dezelfde hoogten optreden (zie plaat D en E). Ze worden veroorzaakt door de aanwezigheid van lagen met verschillende temperatuur (dus ook verschillendedichtheid en brekingsindex)in het onderste gedeelte van de dampkring.

D.

Zonsondergang 24 juli 1978 te Yport (Normandië). De bovenrand van de zonneschijf vertoont allerlei kartels. Deze wijzen op een gelaagde opbouw van de atmosJeer.

Zonsondergang 29 maart 1978 te Nes (Ameland). De rand vqn de zonneschijf is geen strak getrokken lijn, maar vertoont raÍels\{anneet }ve de laagstaande zon waarnemen met een v€rrekijker zijn gewoonlijk meer details zichtbaar. Op verschillende foto's is te zien dat de laagstaande zon allerlei kartels en rafels aan zijn rand vertoont. De raÍel.s (plaat C) ontstaan door kleine dichtheidswisselingenin de lucht waar we doorheenkijken, die op hun beurt weer het gevolg zijn van kleine wervelingen die in bewegendelucht optreden. De plaatselijke afwijkingen van de gemiddelde dichtheid veroorzaken afuijkingen van de gemiddelde btekingsindex, van de richting waarin de lichtstralen zich yoortplanten en dus ook van de richting waaruit het zonlicht 'afkomstig lijkt. Voor de

C.

E. Zonsondergang21 mei 1977 te Texel. De onderzijde ven de zon laat duídelijk kartels zien. In principe lopen de grensvlakkentussen dergelijkelagen horizontaal,maar door verschillenin wind tussende beide lagen kunnen de grensvlakkenin trilling worden gebracht (vergelijkhet ontstaanvan oppervlakte-golven wanneerlucht over eenlvateroppervlakstroomt).Dan ontstaanmerkwaardige uitstulpingenaan de rand van de zon (zieplaat F), die, naarmatede zarazakt, geleidelijkelangsde rand naar boven bewegenom te eindigenals eenafsnoeringaande bovenzijde van dezon(zie plaatG), eeneilandjevan (geelen groen)licht middenbovende zon. Boven watme oppervlakkenis de kromming van de lichtstralenin de onderstewarrnelucht-

)

Iaag tegengesteld aan de normale kromming. Bij voldoende grote temperatuurverschillen spiegelende Iichtstralena.h.w. tegen de warme laag. Er kunnen dan deuken optreden aan de onderzijde van de zonneschijf (zie plaat H). Het is hetzelfde verschijnsel als de luchtspiegelingen in de woestijn of boyen warme asfaltwegen, die in de verte met plassen water bedekt lijken. Het gedeeltevan de zonneschijf onder de deuk is het spiegelbeeldvan een gedeeltevan de zonneschijf vlak boven de deuk.

F.

Een zonsondergangkunnen we het best waarnemen met een verrekijker vanaf een punt met een vrije horizon. Wel dienen we steedsmaatregelen te treÍÍen om te yoorkomen dat we ons oog door een teveel aan zonlicht beschadigen. Zelf klem ik donkere negatieve tussen mijn bril en de eraan bevestigde zonnebril alvorens een kijker op de laagstaande zon te richten. Van de kijker is vooral de vergroting belangrijk; aan de lichtsterkte hoeven geen hoge eisen gesteld te worden omdat er gewoonlijk al veel te veel licht is. Overigenswisselt de Iichtsterkte van de zonneschijf bij verschillende zonsondergangen aanzienlijk. Voor het fotograferen van zonsondergangen is een telelens noodzakelijk. Standaardlenzen geven een klein beeld van de zon (vlg. plaat R), waarop de hier beschrevendetails niet of nauwelijks zichtbaar zijn. Bovendien beantwoordt het resultaat dan niet 4an ons subjektief gevoel. Door gezichtsbedrog lijkt de zonneschijf bij laagstaande zoÍr groter dan midden op de dag. Een fototoestel is hiervoor echter ongeyoelig.Een opname, die met een telelenswerd gemaakt beantwoordt beter aan onze verwachting een grote zonneschijf aan te treffen nabij de horizon.

Zonsonrlergang 26 julí 1978 te Yport (Normandië). Aen de rand van de zo zijn merkwaurdige uitstulpingen zichtbaar, die naarmate de zon zakt langs d.erand naar boven bewepen.

G. DezeJoto werd kort naJoto F genomen. Aqn de bovenzijde van de zon bevindt zich een afsnoeing',

R- Zuil, waargenomenti.idensde zonsopkomstvan 16.iuli 1976te WorkumKransen. Onder een /rrnns verstaan we het lichtverschijnsel dat om de zon of de maan oÍrtstaat in dunne bewolking. In fig. 3 is schematisch aangegeyenwat we dan waarnemen. Rond de lichtbron bevindt zich de aureool, een heldere (blauw-)witte ring met een rode of roodhruine rand. Dit is de eenvoudigste vorm van de krans.

H,

Zonsondergang boven warm wateroppervlak, waargenomen op 3 september 1976 te Camperduin (NH). Aan de onderziide van de zonneschijJ bevínden zich 'deuken'-

3.

Principe van de krans. De aureool rond de zon of de maan is nagenoeg kleurloos. De sureool is omgeven door een oJ meer gekleurde ingen (twee aJgebeeld) met een blauwe bínnenrqnd en een rode buitenrqnd,

22 I

Soms is de aureool echter omgeven door een of meer gekleurde ringen met een blauwe binnenrand en een rode buitenrand. Kransen zijn om de maan makkelijker waar te nemen dan om de zon, omdat we in het laatste geval door het zonlicht verblind worden. Met een zonnebril, of door te kijken naar de weerspiegelingvan de zon in donker glas of in een wateroppervlak, kunnen we verblinding ver. minderen of vermijden. Kransen ontstaan door buiging van licht aan de kleine waterdruppeltjes o{ ijskristallen, die de wolken vormen waarin het verschijnsel zich voordoet. Deze wolkendeeltjes zijn obstakels in de weg die het zon-of maanlicht volgt. Het buigingspatroon van meerdere wolkendeeltjes is hetzelfde als dat aan één zo'n deeltje, maar is lichtsterker. Met het beginsel van Huygens kunnen we nu de plaatsen vinden waar een bepaalde kleur (b.v. blauw of rood) overheerst. Hierbij blijkt het resultaat afhankelijk te zíjn van de grootte van de wolkendeeltjes. Kleine druppeltjes of ijskristallen geven grote ringen en omgekeerd. De kleuren zijn het mooist als alle wolkendeeltjes even groot zijn. Anders ontstaat bij iedere druppelgrootte een eigen ringsysteem, zodat de kleuren vervagen. Verschillende druppelgroottes geven soms ook aanleiding tot asymmetrische vormen van de krans (vlg. fig. 4).

4.

Asymmetrische krans bij de grens van een wolkje. De kleine druppels die voorkomen aan de rand van de wolk leveren een grotere strqal vqn de krans dan de grotere druppels midden in de wolk.

Eveneensdoor buigingontstaande kleurenin z.g. iriserende wolken. Ze kunnen in de nabijheid van de zon voorkomen, maar ook op grotere afstandenvan de zon (tot 30 à 40'). Vooral in het laatstegeval is een konstantedruppelgrootte van belang.In de buurt van de zon bepaaltde afstandtot de zon waat en op welke manier het verschijnselkan worden verdervan de zon domineertde struktuur van waargenomen; de wolk. In de kleurenbanden,die dan vaak evenwijdigaan de rand van de wolken lopen, overheetsengroen en rose. Daar de lichtsterkteerg groot is, moetenwe op dezelfdemanier als voor de krans werd beschreven,verblindingtegengaan. Halo's. aande hemel,zichtbaarin hoEenaantallichtverschijnselen ge bewolking,ontstaat door terugkaatsingof breking van zonlicht in de ijskristallenwaaruit die wolken bestaan.De yerzamelnaam voor dezeverschijnsells halo. De kleinekring of kríng van 22o is de meestvootkomendevorm. Gemiddeld kan dit verschijnselin ons land om de anderedag geheelof gedeeltelijkworden waargenomen.De kleine kring bestaat uit een lichtring om de zon, die aan de zonzijdescherpbegrensdis op eenafstandvan 22oen aande anderekant geleidelijke lichtzwakkerwordt (zie fig. 5, plaat J). De binnenrand is vaak roodachtigvan kleur. Binnen de kring ziet de hemeler donkerderuit dan daarbuiten.De kring moet niet yerwardworden met de krans, die kleurrijker is, de zon of maandirekt omgeeften op eenanderewijzewordt gevormd, De kleine kring ontstaatdoordat ijskristallen,die regelmatige zeshoekige vormenhebben(zie fig. 6, zie ook plaat K), het licht brekenals eenprismambt eentophoekvan 60" (zie

fig. 6a). De richtingsverandetingdie hierbij optrecdt bcdraagt steeds22o of meer (fig. 7). Een relatief groot gedeelte van het op de ijskristalleninvallendelicht ondergaatde minimumdeviatievan 22" (zie fig. 8). Hierdoor ontstaat op een afstand van 22" van de zon een lichte vlek aan de hemel. Wanneer de ijskristallenwillekeurigestandeninnemen is de Iichte vlek in alle richtingen zichtbaar, zodat een Iichte ring ontstaat. Doordat deviaties kleiner dan 22" nl.et voorkomen zien we een donket gebied binnen de kring. De rode binnenrand wordt veroorzaakt door de kleurschifting die optreedt bij doorval van licht door het ijsprisma. De deviatie is voor rood kleiner dan voor andere kleuren, zodat deze kleur het dichtst bij de zon zichtbaar is. De ijskristallen kunnen ook werken als prisma'smet eentophoek van 90'. In dat gevalis de minimumdeviatie 46" en ontstaat de grote king (zie plaat L). Deze is lichtzwakker en kleurrijker dan de kleine kring en wordt minder vaak waargenomen.

5.

Lichtsterkteverdeling van de kleine kring. In het mid' den van de figuur moet men de zon denken. De stip' pen geven aan v)aor het zonlicht zosl terecht kan komen na breking door ijskristallen met een tophoek van 60" in een willekeurige stanrl. De begrenzing aan de zonzijde is veelscherper dan díe aan de buítenzijde van de ring. Binnen de ring is de hemel donkerder dan duqrbuiten.

6.

De eenvoudígsteen meest voorkomende ijskristallen in de atmosÍeer zijn de plaatjes (links) en de naaldjes. Beide zijn aJgebeeld in een stand, die zij in een rustige stmosleer gewoonlijk innemen. Andere even' wichtsstanden van naaldjes kunnen verkregen worden door draaiing op de aqngegevenmanier: de ss bevindt zich daarbii steeds in een hoizontasl vlak. ó ,' 6oor

6u. IJskristallen kunnen worden opgevst als prisms's met een brekende hoek van 60' of 90'.

J.

K,

De kleíne kring is het meest voorkomende haloverschijnsel. Hel waanlemen en Íotogrq-feren gaat gemakkeliiker als de zon wordt afgeschermd, b,v. door een lantqarnplul lDe Bilt, 6 november 1976).

IJskristallen hebben regehnatige zeshoekige vormen. Het kristal op de Joto is een schoolvoorbeeld van een 'plaatje (futo H. Verschure e M. Krielaart). /

7.

/\

L.

De helo van 14 april 1978 te De Bilt. De zon bevindt zich achter de dakgoot. Links van de zon is een biizon zichtbqqr, Recht boven de zon zien we de bovenraakboog aan de kleine kritg en daarboven gedeelten van de grote kring en de circuntzenitale boog.

De meeste andere haloverschijnselenontstaan als de ijskristallen min of meer vaste standenaannemen:hiervoor is een betrekkelijk rustige atmosfeervereist.De standendie bij het zweven in de atmosfeer kunnen wotden ingenomen zijn weergegeven in fig. 6. Steedsis de stand zo, dat de weerstand bij een valbewegingvan het ijskristal maximaal is. De verschillendevormen van ijskristallen(plaatjesen naaldjes,zie fig. 6) gevenaanleidingtot verschillendehalo's. De plaatjes verootzaken de biizortnen (zie plaat M), kleurrijke licht" vlekken op een afstand van 22" van de laagstaandezon. De afstand tot de zon neernt geleidelijk toe met de zonshoogte.

\

Stralengang van licht door een ijsprisma met een tophoek van 60". De mirintumdeviatie bedruagt 22". Het vlok van tekening staat loodrecht op de as van het kristol.

M.

In de buurt van de minimumdeviatie verandert de deviatie bij een betrekkelijk grote verandering van de invqlshoek mqsr v'einig. Dit veroorzaakt een versterking van het licht h de richtinp vun de mininumdeviqtie.

De stralengang bij de vorming van de bijzonnen is dezelfde als bij de vorming van de kleine kring. De minimumdeviatie heeft echter alleeneen waardevan 22" als de lichtstraleninvallen in het vlak van tekeningvan Ïig. 7. Dit is voor plaatjes in hun evenwichtsstandslechtshet geval bij een zonshoogte van 0o. Maken de invallendelichtstraleneen hoek met het vlak van tekeningvan fig. 7, dan wordt ook de waardevan de deviatiegroter en neemt de afstand zon-bijzontoe (zie plaat O). De circuntzenitaleboog ontstaat eveneensbij plaatjes, die zich in de evenwichtsstandbevinden. Het is een zeer kleurrijke en lichtsterkeboog bovende zon, die op het eerste gezichtsterk lijkt op een regenboog.De afstandtot de zon is 46o of meer, afhankelijkevan de zonshoogte.Bij de vorming van de boog fungeren de plaatjesals prisma's met een tophoek van 90o.

Bíizon (De Bilt).

24 t

Schuineinval van licht op ijskristallentreedt ook op wanneer bevinden.Nu hangt de naaldjeszich in een evenwichtsstand hoek met het vlak van tekening van fig' 7 niet alleen af van de zonshoogte,maar ook van de stand die het naaldje inneemt (vlg. fig. ó, rechts). Op deze manier ontstaan de boven- en de benedenraakboog aan de kleine kring, Evenals bij de overige beschrevenhaloverschijnselenis de naar de zon toegekeerde rand roodgekleurd De vorm hangt sterk af van de zonshoogte(zie fig. 9 en plaat P en Q). Bij zonshoogtenvan meer dan 40o raken de uiteinden van de boven-en de benedenraakboog elkaar en vormen ze gezamenfijk de omhullende halo.

d

Voorbeeldenvan halo's die door terugkaatsingontstaanzijn de zuil (zie pfaat R) en de bi.jzonnenring(zie plaat S). De terugkaatsing vindt plaats tegen vertikale horizontale resp.vlakkenvan in de Iucht zwevendeijskristallen. Daar er bij terugkaatsinggeen kleurschiftingoptreedt bezitten deze verschijnselendezellde kleur als het zonlicht. De zuil heeft de vorm van een vertikale lichtstreepof lichtpluim, die zich zowelboyen als onder de zon bevindt. Gewoonlijk is een lage zonnestandvereist. De bijzonnenring is een band die evenwijdig aan de horizon loopt op de hoogtevan de zon. Meestal kunnen alleen stukjes van deze ring worden waargenomen. Soms komen zuil en bijzonnenringtegelijkertijd voor in de nabijheid van de zon; in dat geval is het krlrs' zichtbaar. Bij de hier gegevenopsommingvan haloverschijnselen is niet gestreefd naar volledigheid; de meest voorkomende verschijnselenzijn echter besproken. Een samenvattinggeeft fis. i0.

d

S. Gedeeltevan de bijzonnening, 4 augustus197óte De Bilt.

4t

----.-\

60"

HORZON 10. 9.

De omhullende verschil lende zonshoogten. D e dikke zwarte lijn is de horizon; het gedeelte onder de horizon is gearceerd en gewoonlijk niet zichtbaar, behqlve vqnuit vliegtuigen, vanaf bergtoppen etc- De cirkel geeJt de binnenrand van de kleine kring aan. De zon moet gedacht worden in het míddelpunt van d.e cirkel.

De belangrijkste haloverschijnselen: 1. Bijzonnen2. Kleine kring oJ kring van 22" 3. Omhullende halo (boven- en benedenraakboog aan de kleine kring). 4. Grote kring of kring van 46" 5. Circumzenitsle boog, 6- Bijzonnen 7. Zuil

25 i Het waarnemen van haloverschijnselen gaat het gemakkeIijkst als de zon is afgeschermd,b.v. door er eenhand voor te te kiezen houden of door een zodanigewaarnemingspositie dat de zon zich net achter een boom, schoorsteen of lanïaarnpaalbevindt (vlg. plaat J). Voor het fotograferenvan halo'sgeldt eenzelfderegel. Met een standaard-fotografische uitrusting en een gewonediafilm zijn bevredigenderesultaten te behalen. Door een of twee stappente onderbelichten verkrijgt men een konstrastrijker resultaat. Bij zwart-wit opnamen is een geel-, oranje- of roodfilter noodzakelijk. Met een groothoeklens krÍgt men een groter gedeeltevan de halo op de foto. Willen we b.v, een kleinbeeldopnamemaken van een volledige kleine kring, dan is een objectief met een brandpuntafstandvan 28 mm of minder vereist. De regenboog. Bij het waarnemen van de verschijnselen die tot nu toe beschrevenwerden keken we steedsin de richting van de zon of van de maan. We keren dezenu de rug toe om onzeblik te richten op verschijnselendie zich aan de andere kant van de hemelof Íond het tegenpuntyan de zon voordoen.We beginnen met de regenboog, het bekendsteen kleurrijkste optische verschijnselaan de hemel. Schematischis het regenboogverschijnselweergegevenin fig. 12. Het duidelijkst is de z.g. hoofdregenboog, een kleurrijke citkelvormige ring met een rode buitenrand, een straal van 42" en het tegenpuntvan de zon als middelpunt. Vaak is ook een tweedeboog zichtbaar, de bijregenboog die lichtzwakker en breder is, een rode binnenrand heeft en een straal van 51o. Binnen de hoofdboog zijn soms na het violet nog z.g. overtallige bogen zichtbaar, waarin de kleuren rose, groen en violet Tussende beide bogenziet de hemel er gewoolloverheersen. Iijk donkerdel uit dan binnen de hoofdboogof buiten de bijboos. bijregenboog hooÍdregenboog

^

donkergebied

bogen overtallige

regenboogbevindt zich dus op 138o van de zon, dat is op 42' van het tegenpunt van de zon. Bij twee inwendige terugkaatsingen ontstaan de bijregenboog en het lichte gebied daarbuiten. Hier bedraagt de minimumdeviatie231" en zien we de boog op 51o van het tegenpunt van de zon. VaÍr het tussenliggendegebied is geen licht afkomstig dat één van de stralengangen van fig. 13 heeft doorlopen. De hemel ziet er daar meestal donketdeÍ uit dan binnen de hoofdboog of buiten de bijboog.

'f-í

\-7-T-

13.

Stralengangen door een bolvormige waterdruppel díe aanleiding geven tot de vorming van de hooJdregenboog en de bíjregenboog. De straal R van de hooJdregenboog bedraagt 42", de deviqtie O - 138": bij de bijregenboogis R:51" en O - 231'.

De afstand waarnemer-regenboogis onbepaald. De druppels die aan de vorming van de regenboogbijdragen liggen alle op het oppervlak van een kegel met een tophoek van 42" bij de waarnemer en de lijn van de waarnemer naar het tegenpunt van de zon als as (zie fig. 11). Wanneer de waarnemer zich verplaatst, beweegtdat kegeloppervlak, en dus ook de regenboog, zich met hem mee. Zo heeft elke waarnemer zijn eigen 'eigen' regenboog. Wankegeloppervlak en ziet iedereenzijn neer de zon hoger boven de horizon komt, zakt het tegenpunt van de zon er verder onder en kan er een kleiner gedeeltevan de regenboog worden waargenomen. Staat de zon hoger dan 42', dan verdwijnt de (hoofd-)regenboog onder de horizon. 's-zomers rond de tijd van de hoogste Daardoor wordt er zonnestand nooit een regenboog waargenomen,

Horizon

Tegenpunt vande zon

12.

De hoo.fdregenboogis een církel rond het tegenpunt van de zon met een stt'aal vat ca 42"- De straal van de bi.jregenboogis ca 51". De bogen keren de rode randen (r) naar elkuar toe: het violet (v) zit aan de binnenziide vctn cle hooJdboog en aan de buitenzijde van de bijboogTussen de bogen ziet de hemel er rueestal donkerder uit dan binnen de hoo;fdboog of buiten de bijboog. Sontsziin bimen de hooJdboognog z,g. overtallige bogen zichtbaar, voorql in de buurt van het hoogstepunt van de regenboog.

De regenboog ontstaat door terugkaatsing en breking van zonlicht in regendruppels. De stralengang is weergegevenin fig. 13. Lichtstralendie één inwendigeterugkaatsinghebben ondergaan vormen de hoofdboog en het heldere gebied daarbinnen. Evenals bij de doorval van licht door ijskristallen treedt er een minimumdeviatie op en wordt een groot gedeelte van het licht volgens het minimum afgebogen (vgl fig. 8). Bij de hoofdboog bedraagt deze minimumdeviatie 138'; de

zo^

1 1 . De regenboog, gezien vanal de grond- De bij d.e vormíng van de boog betrokken lichtstralen liggen alle op een kegeloppervlak met een tophoek van 42" bij de waarnemer e als ss de liin door de waarnemer en het tegenpunt vqn de zon,

26 t

De opgegevenwaardenvan de minimumdeviatiehebbenbetrekking op oranje licht; voor rood licht gelden iets kleinere waarden, voor blauw licht iets grotere. Deze kleurschifting veroorzaaktde kleurenrijkdom van de regenboog.Bij het uiterlijk van de regenboog speelt ook de grootte yan de regendruppelswaarin de boog zichtbaaris een Íol. Bij kleinedruppels is de straal van de hoofdboog kleiner dan bij grotere. Tevens is de boog dan breder en minder uitgesproken van kleur. Ook zijn de overtalligebogen in dat geval duidelijker aanwezig.In de kleine wolken-en mistdruppeltjesis alleen nog een mistboog zichtbaar, wit met een roodachtige buitenrand en een straal die soms wel 8o kleiner is dan die van de gewone regenboog. De invloed van de druppelgrootte wordt die naarmate de veroorzaakt door buigingsverschijnselen, druppels kleiner zijn een belangrijker rol spelen. Heiligenschlin en glorie. Bij lage zonnestanden is de schaduw van ons hoofd op bedauwd gras of riet omgevendoor een zilverwit lichtschijnsel: de heiligenschijn (zie plaat V). Het is alleen zichtbaar rond de schaduwvan ons eigen hoofd, niet om dat van anderen; als we ons verplaatsen beweegt de heiligenschijn met ons mee. De italiaansekunstenaarBenvenutoCellini (16eeeuw) yatte het verschijnsel daarom op als een teken van zijn genialiteit. De belangrijkste bijdtage aan de lichtsterkte van het verschijnselontstaat als volgt. De dauwdruppelswerken als lens; ze vormen een beeld van de zon op de grasspriet waarop zij zich bevinden. Dit beeld bekijken we als het wate door een vergrootglas, gevormd door dezelfde dauwdruppel. Op deze manier wordt het zonlicht dat op de dauwdruppel invalt door de grasspriet teruggekaatst in de richting waar het vandaan kwam. Het meesteteruggekaatste licht zal uit het tegenpunt van de zon afkomstig lijken; de lichtsterkte neemt af als de afstand tot dat punt toeneemt. De parelschetmen voor dia-of filmprojektie maken gebruik van hetzelfdeprincipe:bolletjes voor een scherm dat het Iicht terugkaatst.Ook hierbij is de Iichtopbrengst het hoogst in de richting, tegengesteldaan de invalsrichtingvan het licht, dus bij een deviatievan ca. 180o. Men moet daarom recht vooÍ het scherm plaatsnemen om een lichtsterk beeld te verkrijgen.

V.

De heiligenschijn is een lichtschijnsel rond de schqduw van een \)aafnemer op beclauwdgras oJ riet.

Een ander verschijnsel, dat eveneensontstaat door een verandering van de richting van het zonlicht van ca 180' is de glorie. Deze is zichtbaar als onze schaduw zich aftekent op een wolkenlaag of mistlaag. Het verschijnsellijkt op de krans en bestaat uit een aureool direkt om de schaduw van de waarnemer, omgeven door één of meer gekleurde ringen met een blauwe binnenrand en een rode buitenrand. De straal van de ringen hangt aï van de grootte van de wolken-

druppels. De gemakkelijkstemanier om de glorie te zien is vanuit eenvliegtuig;de glorie tekent zich af rond de schaduw van het vliegtuigop eenonderliggendewolk (zie fig. 14). Een waarnemer ziet de glorie, evenalsde heiligenschijn,alleen om zijn eigen schaduw,niet om die van anderen. Als de afstand van het vliegtuigwaarin de waarnemerzich bevindt tot de wolk niet zo groot is, is zelfste zien vanuit welk gedeelte van het vliegtuig het verschijnselwordt waargenomen;de schaduwis dan zo groot dat de centraleaureoolgrotendeels wordt bedekt.

14,

De gktrie, hraurgetromenvanuit een punt bi,j de staart van een vliegtuig. Rond de schaduv,vun het vliegtuig op een lagergelegenwolkendek bevindt zich een aure' ool, ongeven door een gekleurde ring met een blauwe binnenrand en een rode buitenrqrul.

Optische verschijnselen bï kunstmatige lichtbronnen. In het voorgaande zijn we bij de beschrijving van de lichtver't schijnselenin vrije veld uitgegaanvan zonlicht of maanlicht. Steedskonden beide als lichtbron fungeten; nu eens was een verschijnselechter betet bij zonlicht zichtbaar (b.v. de regenboog),dan weer bij het licht van de maan (b.v. de ktans). Aanleidingvoor de onderhavigeuitgaveis het feit dat 100 jaar geledende eerstegloeilampenwerden ontwikkeld. We kunnen ons in dat kader afwagen of bij gloeilampen of andere kunstmatige Iichtbronnen eveneens dergelijke lichtverschijnselen kunnen optreden. Voor wat betreft het laboratorium of het klaslokaal kunnen we deze vraag zonder meer met ja beantwoorden. Daar is de stralengang die bij de verschillende verschijnselen voorkomt gemakkelijk te rekonstrueren met behulp van kunstmatige lichtbronnen (zie 't b.v. fig. 15 en plaat A). Maar ook in vrije veld blijken de meesteverschiinselendie beschrevenwerdente kunnen worden waargenomen bij gloeilampen en andete kunstmatige lichtbronnen, zoalsgebruikt bij sttaatyerlichtingof in vuurIOrens. De rafelige rqnd van de zonneschijf bij lage zonnestanden heeft dezelfdeoorzaak als het twinkelen of scintilleren van de sterren;men zou het scintillatievan de zon kunnen noemen, In de avond van een zomerse dag is dit scintilleren ook waar te nemen aan lichtbronnen op enige afstand. We zien deze dan flikkeren en voortdurend enigszins van plaats veranderen. Deze'onrust'van de lichtbron is dus eigenlijk onrust van de onderste laas van de atmosfeet.

27

L

Zonsonclergangbii een gelaagde opbouw van de atmos' .feer, 29 mei 1978 te Schiermornikoog.

Q- Kleine kring en omhullende halo, waargenomen bii een hoge zonnest.tnd op 12 juni 1977 te De Bilt.

N.

Halo vdn 4 augustus 1976 te De Bilt. Bij lage zonnestanden bevinden zich cle biizonnen op een aJstaucl vwt 22" van de zon. Als tevens de klei e kr ry atrnwezig is liggen de biizonten dus op de kleine kring.

T.

Regenboog. Buíten de hoofdregenboog is de lichtzwqkkere bijregenboog zichtbaar. Tussen de bogen is de hemel donkerder dwt bínnen de hoofdboog oJ buiten de biiboog.

P,

Bovenraakboog aan de kleine kring bij een lage zonnestand, waqrgenomen op 22 april 1975 te De Bilt.

U.

De regenboog in cle druppels van een plantensproeiet l{oto H. Verschure en M. Krielqart ).

28 i

of ijsmist (nevel of mist, die niet wordt gevormd door wolkendruppeltjes, maar door nabij het aardoppervlak zwevende ijskristallen. Op deze manier zijn de kleine kring, biizonnen en zuilen waargenomen. IJsmist treedt alleen op bij strenge vorst en komt in ons land zelden voor. Regenbogen zljn gezien in de lichtbundels van zoeklichten, 'swolkenlichten (schijnwerpers die gebruikt worden om nachts de wolkenhoogte te bepalen) en vuurtorens.Ze bestaanuit een of twee lichte vlekken en een relatief donker gebied in de Iichtbundel overeenkomend met,de hoofdboog, de bijboog en het donkere gebied tussen de bogen. Als de lichtbron een gloeilamp is, vertonen de lichte vlekken een rode rand (zie fig. 16). Verder is het verschijnsel te lichtzwak om duidelijk de'kleuren van de regenboog'te zien. 15-

Voorbeeld van een proeÍopstelling waarbij de stralen' gang van de regenboog kan worden nagebootst. Het licht van de gloeílamp treedt uít bij de spleet en vslt in op een cílinderglus, gevuld met water. Hierbij wordt "regenboog" gevormd op het scherm. een

'deuken' in het onderste gedeelte van de zonneschijf, die De soms bij een zonsondergangboven een warm oppervlak kunnen worden waargenomen, berusten op een weerspiegeling van het onderste gedeelteyan de zonneschijf tegen de warme laag boven het aardoppervlak. Ook kunstmatige lichtbron'aardse'voorwerpen) kunnen nen (evenalsallerlei andere op een dergelijke wijze tegen een warme laag weerspiegeldworden en daardoor dubbel worden gezien. Zeer duidelijk is dit verschijnsel soms zichtbaar als na een zonnige dag het asfaltdek van een autosnelwegde warmte nog enige tijd na het inyallen van de duisternis kan vasthouden. Koplampen van tegenliggers en achterlichten van de auto's voor ons zien we dan weerspiegeld;het grote aantal lichtjes maakt een kermisachtige indruk. Ook overdag is de spiegeling van kunstmatige lichtbronnen wel eens zichtbaar en wel aan de remlichten van auto's boven een warme asfaltweg of aan de koplampen van een trein boven een warme spoorbaan (zie plaat W).

16.

De in de lichtbundel van de Branduis (West-Terschel' ling) waargenomen regenboog: a. Iichtzwakke rode be' grenzíng (bijregenboog): b. donker gedeelte in de bun' del (donkere band tussen beide ogen): c- duidelijke rode begrenzing (hooJdregenboog):d. heldere lichtvlek (hooJdregenboog). De wqarnemer stqst sqn de ïoet van de toren en kijkt schuin vcn onderen tegen de lichtbundel aan.

De heilígenschijn is ook waargenomen bij het licht van een straatlantaarn. Een puntYormige lichtbron doet het verschijnselhet best uitkomen. Bij vuurtorenlicht kan de heiligenschijn eveneens gezien worden. We zoeken dan een duintop op die door de lichtbundel Yan de vuurtoren bestreken wordt en gaan met de rug naar de vuurtoren toe staan' zodat onze schaduw bij het passerenYan de lichtbundel op de bedauwdebegroeiingvan het duin valt. De g/orie tensloneis ook een enkele maal gezien bij het licht van een gewone straatlantaarn tegen een donkere achtergrond. De meeste verschijnselen die beschreven werden kunnen dus ook bij gloeilampen of andere kunstmatige lichtbronnen worden waafgenomen,

W. Luchtspiegeling boven de spoorbaqn te Workum, 28 mei

1977. De koplampen vqn de trein worden weerspiegeldtegen eenwarmeluchtlaagvlak bovende grond. op enige Kransenzijn vaak zichtbaarrond straatlantaarns afstandbij mist. Ook zondermist is het verschijnselwaarte nemen door een beslagenvensterruitof door een beslagen bril. Bij monochromatischelichtbronnen (b.v. de oranje natriumlampendie langsveelwegenstaan)zien we lichte en donkereringen; kleurenzijn alleenzichtbaarbij gloeilampen (continu spectrum). Ilclo-verschijnselenkunnen worden waargenomenbij kunstmatigelichtbronnentijdens ijsnevel

Yoetnoot 1. In dit artikel beperken we ons tot verschijnselendie op deze manier ontstaan. De rode kleur van de opkomende of ondergaande zon en andere verschijnselen waarbij verstrooiing van zonlicht een rol speelt behoren niet tot de bedoelde groep Yerschijnselen. Literatuur. "De natuurkunde van 't vtije veld I", Zutphen M. Minnaert: 1968. "Clouds of R. Scorer: the world", Nevton Abbot, 1972. "Introduction to meteorological optics", R.A.R. Tricker: London, 1970. "Optische S.W. Yisser: verschijnselen aan de hemel", Den Haag, 1957.