Refractia si dispersia luminii pe picaturi de apa

[Lenuş Lungu]

1. Curcubeul 1.1. Formarea curcubeului Curcubeul primar este un fenomen optic si meteorologic manifestat prin aparitia spectrului luminos atunci când lumina se refracta prin atmosfera, de cele mai multe ori aparând dupa ploaie. Curcubeul ia forma unui arc multico 414e41e lor, cu rosu la exterior si violet la interior. Secventa de culori cea mai acceptata este aceeasi cu cea a spectrului luminii albe, adica: rosu, portocaliu (orange), galben, verde, albastru, indigo si violet. Curcubeele se pot observa oriunde sunt picaturi de ploaie în aer si soarele straluceste în spatele observatorului la o mica altitudine sau la vedere. Cele mai interesante aparitii ale curcubeului sunt când jumatate din cer este în continuare negru, cu nori ce se risipesc si observatorul este într-un punct cu cer senin deasupra. Efectul curcubeului este de asemenea vazut în mod frecvent lânga fântâni sau cascade. Efectul poate fi creat si în mod artificial pe picaturile de apa din aer în timpul unei zile însorite. Un curcubeu este parte a unui arc cu raza de 42 º în jurul punctului antisolar. Un curcubeu este vizibil doar atunci când soarele straluceste în timp ce ploua. Mai mult decât atât, nivelul de înaltare al soarelui trebuie sa fie mai mic de 42 º. Daca soarele este mai jos, punctul antisolar este mai mare de 42º sub nivelul orizontului, curcubeul nu se înalta deasupra orizontului. Aparitia curcubeului este cauzata de dispersia razelor de soare . Lumina este prima data refractata în interiorul picaturii de ploaie si refractata din nou când paraseste picatura. Efectul total este ca lumina primita este refractata într-un sir larg de unghiuri, cu cea mai intensa lumina într-un unghi de 40-42 grade. Unghiul este independent de marimea picaturii, dar depinde de indicele refractiei. Apa marii are un indice de refractie mai mare decât al picaturii de ploaie, asa ca raza curcubeului în picaturile marii este mai mic decât a curcubeului adevarat. Acest lucru este vizibil cu ochiul liber printr-o nealiniere a picaturilor. Înaltimea la care lumina se reflecta depinde de lungimea sa de unda, deci de culoare. Lumina alba se descompune în culori diferite la intrarea în picatura de ploaie, deoarece lumina rosie este reflectata sub un unghi mai mic decât lumina albastra. La iesirea din picatura, razele rosii se întorc într-un unghi mai mic decât razele albastre, producând curcubeul. O parte din lumina solara ce patrunde prin astfel de picaturi trece direct, nedeviata. Unele fascicole de lumina, însa, sunt refractate,dar razele care se refracta la un unghi cuprins între 40 si 42 de grade vor fi observate ca facând parte din curcubeu, de catre un observator de pe Pamânt.Toate picaturile reflecta lumina rosie la un unghi de 42 de grade, asa ca un observator nu va putea vedea decât lumina rosie de la picaturile suspendate la altitudinea aceea. Lumina violeta, reflectata la un unghi de 40 de grade, este vizibila numai daca provine de la stropi de ploaie de la 40 de grade deasupra orizontului. Celelalte culori sunt reflectate la un unghi cuprins între cele ale culorilor rosu si violet. De aceea rosu este mereu in partea superioara a curcube-ului primar , violetul în partea inferioara, iar celelalte culori apar la mijloc. Curcubeul primar rezulta dintr-o dubla refractie si o reflexie interna totala înauntrul picaturii de ploaie. O anumita picatura trimite doar o culoare la obsevator. Un curcubeu nu exista într-un anume loc pe cer. El este un fenomen a carui pozitie aparenta depinde de locatia observatorului si de pozitia soarelui. Toate picaturile de ploaie reflectate îsi refracta razele de lumina în acelasi mod, dar numai lumina din unele picaturi de ploaie ajung la ochii observatorului. Lumina este ceea ce constituie curcubeul pentru acel observator. Curcubeul este centrat în umbra capului observatorului, sau mai exact in punctul antisolar (care este sub orizont în timpul zilei), aparând la un unghi de 40-42 grade de la linia dintre capul observatorului si umbra sa. Ca un rezultat, daca soarele este mai sus de 42 grade, curcubeul este sub orizont si nu poate fi vazut , exceptii au loc atunci când observatorul este cu mult deasupra pamântului, ca de exemplu într-un avion, pe varful muntelui sau deasupra unei cascade. Un curcubeu poate fi generat folosind o stropitoare de gradina dar pentru a avea suficiente picaturi, ele trebuie sa fie foarte mici. 1.2. Tipuri de curcubee a)Curcubeul secundar este cauzat de o dubla refractie a razelor de lumina în interiorul picaturilor de ploaie si apare la un unghi de 50-53 grade. Ca un rezultat al celei de-a doua refractii, culorile curcubeului secundar sunt în mod invers comparate cu arcul primar, cu violet în exterior si rosu în interior. Zona întunecata a cerului neluminat ce se întinde între arcul primar si cel secundar este numit « dunga Alexander », dupa Alexander of Aphrodisias » care a descris-o primul. Unele raze se reflecta de doua ori în interiorul picaturilor de ploaie înainte sa fie vazute de privitor. Când raza incidenta este foarte stralucitoare , aceasta poate fi vazuta ca un curcubeu secundar la 50-53 grade. Trebuie de remarcat ca ca ordinea culorilor este inversa fata de ordinea culorilor din curcubeul primar. Un curcubeu secundar apare în afara primului curcubeu si se atenueaza atunci când lumina care patrunde prin picatura de ploaie trece prin doua reflexii interne în loc de una (precum în cazul primului curcubeu).Intensitatea luminii e redusa mai mult la a doua reflexie , de aceea curcubeele secundare nu sunt la fel de viu colorate precum cele primare. b)Un al treilea, sau triplu, curcubeu poate fi vazut în ocazii rare, si doar câtiva observatori au reportat ca au vazut un cvadublu curcubeu. Aceste curcubee vor aparea în aceeasi parte a cerului în care este si soarele, facându-le greu de recunoscut. c)Ocazional, un alt frumos si izbitor curcubeu poate fi observat, constituit din 7 curcubee slabe pe interiorul curcubeului primar, si foarte rar în exteriorul curcubeului secundar. Ei sunt slab trimisi si au o culoare pastelata care nu se potriveste cu tiparul obisnuit. Ei sunt cunoscuti sub numele de curcubee supernumerare (figurate), si nu este posibil sa explici existenta lor folosind geometria optica clasica. Curcubeele super-numerare sunt mai vizibile atunci când picaturile de ploaie sunt mici si cam de aceeasi dimensiune. .Curcubeiele supernumerare(figurante) sunt benzi suplimentare de culoare în interiorul primului curcubeu si în foarte putine situatii in exteriorul celui de-al doilea. Ele se datoreaza interferentei razelor refractate si reflectate în picaturi. d)Curcubeul scurt – apare în partea estica a cerului în timpul zilei,în zilele în care sunt multi nori pe cer, o mare parte a curcubeului fiind acoperita de nori, exceptând baza. Curcubeul are culori rosiatice deoarece apare în timpul soarelui rosu al zilei. e) Curcubeul pereche (îngemânat) În timpul unei ploi abundente,poate fi observata o dublare a partii superioare a curcubeului , care de obicei dureaza de la câteva secunde la câteva minute. Pentru ca pâna acum ceva timp fusesera facute foarte putine observatii în legatura cu acest fenomen, Nu se puteau face decat speculatii în legatura cu originea lor. Doar în ultimii ani, aceasta „îngemânare” a putut fi înregistrata mai des prin observatii continue si, datorita unor descrieri detaliate, au putut fi înaintate noi teorii. Deoarece în toate observatiile ambele curcubee au aceeasi intensitate a culorilor, refexia luminii pe particule de gheata e eliminata.Cel mai probabil este ca picaturi de ploaie care nu au forma sferica produc unul din aceste curcubee sau chiar pe ambele. Datorita întinderii/elasticitatii suprafetei , picaturile mici de ploaie îsi schimba foarte rar forma când cad, dar cele mai multe pot fi turtite de catre rezistenta aerului atmosferic. Cu cât devin mai turtite, cu atât mai mic este indicele lor de refractie. f) Curcubeul rosu –La apusul soarelui toate culorile mai putin rosul dispar din curcubeu. Uneori poate fi vizibil pe o durata de 10 minute dupa apus .Culoarea rosie vine de la spectrul razelor de soare de la apus. Lungimile de unda mai scurte precum albastru si verde sunt puternic împrastiate de catre atmosfera si doar rosul ramâne astfel vizibil. g) Curcubeul lunar - O luna plina e suficient de stralucitoare încât sa i se refracte lumina de catre picaturile de ploaie la fel ca si în cazul soarelui. Lumina soarelui este mult mai palida , bineînteles, de aceea curcubeul lunii nu e nici pe departe la fel de colorat ca cel produs de soare. Curcubeele lunii au fost observate înca de pe vremea lui Aristotel. h) Curcubeele reflectate Când lumina soarelui se reflecta într-o piscina cu apa sau într-o suprafata asemanatoare înainte de a produce curcubeul, are loc fenomenul de reflectare a arcelor si pot fi observate mai multe arce decât primul si secundarul. i)Curcubeul artificial – este produs cu ajutorul unui furtun de gradina. Fenomenul nu poate fi complet reprodus cand soarele reapare din spatele unui nor mare. j)Curcubeul produs la cascada 1.3. Istoria stiintei curcubeului Astronomul Persian Qutb al-Din al-Shirazi, sau mai degraba, studentul sau Kamal al-din al-Farisi, este considerat a fi dat pentru prima data explicatia corecta pentru fenomenul curcubeului. Lucrarea lui Robert Grosseteste despre lumina a fost continuata de Roger Bacon , care a scris în “Opus Majus” din 1268 despre experimente cu lumina stralucind pe cristale si pe picaturile de apa aratând culorile curcubeului. Theodoric os Freiberg este de asemenea cunoscut ca ar fi dat o explicatie teoretica potrivita pentru curcubeul primar si cel secundar în 1307. El a explicat curcubeul primar, subliniind ca « atunci când razele de soare cad pe picaturi individuale de umezeala, razele trec prin doua refractii si o reflexie (la spatele picaturii) înaintea transmiterii în ochii observatorului ». El a explicat curcubeul secundar printr-o analiza similara implicând 2 refractii si 2 reflexii. Descartes, în 1637, a suplimentat cu mult aceasta explicatie. stiind ca marimea picaturii de ploaie nu parea a afecta curcubeul observat, el a experimentat trecând raze de lumina printr-un pahar mare, în forma de sfera, umplut cu apa. Masurând unghiurile pe care razele le-au facut, el a concluzionat :curcubeul principal era cauzat de o singura reflexie în interiorul picaturii de ploaie si curcubeul secundar poate fi cauzat de 2 reflexii interne. El a fost în stare sa acopere aceste lucruri cu o derivare a legii refractii si sa calculeze corect unghiurile pentru amândoua curcubeele. Explicatia lui despre culori , cu toate acestea, era bazata pe o versiune mecanica a traditionalei teorii cum ca aceste culori erau produse de o modificare a luminii albe. Isaac Newton a fost primul care a demonstrat ca lumina alba era compusa din lumina tuturor culorilor curcubeului, pe care o oglinda în forma de prisma le poate separa în întregul spectru al culorilor, respingând teoria cum ca aceste culori erau produse de o modificare a luminii albe. El a aratat de asemenea ca lumina rosie se refracta mai putin decât cea albastra, ce duce la prima explicatie stiintifica a trasaturilor majore ale curcubeului. Teoria corpusculara a lui Newton despre lumina nu a putut sa explice curcubeele supernumerare, iar o explicatie satisfacatoare nu a fost gasita decât atunci când Thomas Young a realizat ca lumina se comporta ca o unda în anumite conditii, si poate interfera cu ea însasi. Lucrarea lui Young, completat în 1820 de catre George Biddell Airy, care a explicat dependenta de puterea culorilor curcubeului la dimensiunea picaturilor de apa. Descrierea fizica moderna a curcubeului este bazata pe “Împrastierea Mie”, lucrare publicata de Gustav Mie în 1908. Progresul în metodele computerizate si teoriile optice continua sa duca la o întelegere completa a curcubeelor. Ca de exemplu, Nussenzveig a furnizat o expunere moderna. 2.Picaturile de roua Dimineata, când pajistea straluceste cu mii de culori, se pot observa fragmente de arcuri de curcubeu pe picaturile de roua din pânzele de paianjen aproape de sol. Micile picaturi reflecta lumina soarelui precum cele de ploaie. Un arc de roua nu este altceva decât un curcubeu orizontal. Benzile rosii si bleu a primului arc se observa în mijlocul imaginii. Picaturile din acel arc reflecta foarte mult lumina soarelui, dar picaturile din exteriorul sau nu le reflecta, exact ca si un curcubeu. Roua diminetii prezinta schita unei pânze invizibile.Picaturile de roua care se tin de pânza paianjenului sunt putin deformate si de aceea benzile acestui arc nu sunt chiar orizontale.Sunt evidentiate clar doua arce figurate deasupra primului arc. Daca razele de soare vin într-un unghi potrivit, se adauga mai multa culoare acestei pânze. Intervalul de timp în care razele calde ale soarelui evapora picaturile si pânza devine invizibila este foarte scurt. De asemenea, aceste arcuri de roua pot fi observate si pe frunze, acolo unde picaturile sunt suficient de mici încât sa nu-si piarda forma. Un motiv este dat si de camera video, care duce la pierderea unor culori. Un altul este acela ca la miscarea capului arcul devine mai evident. Culorile nu sunt puternice,dar marginea portocalie poate fi observata trecând vertical prin imagine. 3.Norii irizati: Nu toti norii sunt albi. Culoarea unui nor depinde de culoarea luminii care-l lumineaza. Norii irizati sunt nori colorati. Cuvântul ,,irizare’’ provine de la zeita greceasca a curcubeului : Iris Arata ca o suprafata uleioasa a apei sau ca niste pete de petrol,în culori pastelate, cu roz si verde deschis aparând cel mai proeminent. Tipurile de nori care arata adesea irizarea sunt altocumulus lenticularis (Ac-nori la altitudini medii), cirrocumulus (Cc-nori la altitudini mari) si ocazional fractocumulus. Irizarea este des vazuta când norii isi schimba rapid forma, la scurt timp înainte si dupa o furtuna. Irizarea este un fenomen optic în care trebuie sa existe proprietatea suprafetelor în care nuanta se schimba conform cu unghiul de la care suprafata este vazuta (asa pot fi vazute bulele de sapun si aripile fluturilor). Irizarea este cauzata de multiple reflectii de la multi-straturi , suprafete semitransparente în faza care se schimba si interferenta reflectiilor care moduleaza lumina incidenta (prin amplificarea sau diminuarea unor frecvente mai mult decât altele). Ea apare când un element sau o linie a unui nor,de obicei altocumulus sau cirrocumulus si câteodata lenticularis, este evaporat în jurul marginilor sale astfel încât marimea picaturii se schimba repede pe o distanta unghiulara mica. De asemenea întregul element sau un mic nor contine aceeasi distanta unghiulara de la soare. Modelul difractiei traseaza lumina albastra în jurul marginii norului unde picaturile sunt mai mici si lumina rosie unde sunt uniform mai mari . Rezultatul este obtinerea de benzi irizate, predominant rozuri si nuante de albastru sau nuante de verde cu umbre pastelate , aparând de-a lungul marginii subtiri al fiecarui element al norului, în stânga jos. Irizarea norilor este obisnuita, dar norul trebuie sa fie la o distanta de 20-40° fata de soare si nu e repede vizibil, poate aparea în As subtiri sau Sc(stratocumulus) si de asemenea în norii sidefati. Câteodata se poate vedea ca anumite parti ale norilor arata culori irizate. In special marginile acestor nori au rosu purpuriu, albastru si verde . Acest fenomen este asemanator cu gloria. Celelalte culori sunt mai putin datorate distantei schimbatoare de la soare, ci marimilor diferite de picaturi. Diferitele marimi ale picaturilor genereaza diferite coroane, ceea ce face culoarea sa difere în ciuda distantei egale de la soare. Cam 12% din norii irizati observati au fost vizibili în norii cirrocumulus. Cea mai buna parte din acesti nori consta în cristalele de gheata. În norii cirrocumulus irizati, fenomenul este des observat mai bine la 30° fata de soare, fapt ce aproape exclude difractia luminii ca motiv pentru formarea irizarii. Asa ca ultimile teorii sustin ca aceste culori sunt cauzate de interferenta razelor de lumina reflectate din fata sau din urma unei foarte subtiri forme ovale a cristalelor de gheata sau prin interferenta razelor o parte trece direct prin stratul norului cât timp alte raze sunt reflectate o data sau de mai multe ori în interiorul stratului norului. Albastruiul-cenusiu este rezultatul descompunerii luminii în interiorul norului. În spectrul vizibil, albastrul si verdele sunt la capatul scurt al lungimii de unda vizibile a luminii, în timp ce rosul si galbenul sunt la capatul lung. Razele scurte sunt mai usor descompuse de picaturile de apa si razele lungi sunt mai mult absorbite. b. Norii rosii : La apus sau la rasarit culoarea luminii soarelui poate fi de la galben pâna la rosu închis datorita descompunerii luminii soarelui caci lumina strabate o cale mai lunga prin atmosfera. Norii de înalta altitudine ca cirrus, cirrocumulus si cirrostratus preiau lumina rosie a soarelui mult dupa apus, câteodata la 10-20 minute dupa apus sau rasarit, depinzând de latitudine. Norii cirriformi de obicei nu vor arata culorile apusului foarte intens. Acestia au de obicei nuante de portocaliu pal, rosu si purpuriu. Norii de altitudini medii ca altocumulus si altostratus pot arata culori intense în timpul rasaritului sau apusului. Colorarea apare de obicei la 5-10 minute dupa apus sau înainte rasarit, la timpul când soarele este vazut la baza învelisului norului. Norii de altitudini mici sunt aproape de pamânt. c. Norii luminiscenti (NLC): Sunt nori subtiri de un alb-argintiu care în unele nopti de vara pot fi vazuti înspre nord aproape de orizont. Contrar altor tipuri de nori care ating altitudinea maxima de aproape 83 km, ei sunt vizibili doar când soarele este între 6° si 16° sub orizont. Dupa aceasta norii luminiscenti sunt înca luminati de soare cât timp cerul este deja întunecat. Norii luminiscenti se formeaza doar când temperatura din mesosfera este foarte scazuta. Acesta temperatura scazuta apare normal între mijlocul lunii mai si mijlocul lunii august. În special in lunile iunie si iulie norii luminiscenti pot fi mai bine observati în unele nopti. Ei se observa sub o înclinare de aproape 20° deasupra nord-vestului pâna la nord-estul orizontului, În unele cazuri ei pot fi observati aproape de zenit. Evident norii noctilucent sunt alcatuiti din apa înghetata. Formarea ghetii de la o foarte scazuta concentratie a aburului prezent la o altitudine de 83 km necesita temperaturi foarte scazute la mai putin de140K. Pentru centrii de condensare sunt necesare mult mai multe particule de praf si molecule de apa dipolare,stim ca temperaturile necesare pentru formarea ghetii sunt atinse doar între lunile iunie si august datorata circulatiei între emisfere. Vara sunt de asemenea vânturi mai puternice ce transporta particulele de gheata pe distante mari. Particulele de gheata ar trebui sa existe pentru câteva ore pâna când ele sublimeaza iar datorata patrunderii în regiunile cu aer mai cald sau fiind transferate în regiunile cât mai sudice. Aceasta este de asemenea o sugestie despre posibilele schimbari rapide în interiorul norilor luminiscenti. Influentele pe termen lung sunt mult mai greu de apreciat. O legatura cu activitatea solara este evidenta deoarece schimbarilor în radiatiile ultraviolete au o influenta în reactiile chimice si de asemenea temperatura este o cauza a schimbarilor sistematice. O crestere în concentratia metanului sau a dioxidului de carbon pot fi de asemenea responsabile pentru o activitate mai mare a norilor noctilucent. Norii luminiscenti (NLC) se formeaza mai ales la latitudinile 55-65N si S. În emisfera nordica fenomenul este vizibil ocazional în mai si mai frecvent în iunie. Oricum, adevarata activitate este observata în iulie si la începutul lui august. sursa:scritube.com/geografie/Refractia-si-dispersia-luminii

[Pop Dorina]

Oare am postat-o unde trebuie?

 

[Ioan Muntean]

Mutaţi-o sub postarea cu regulamentul!

[Pop Dorina]

Vă mulțumesc.

[Nitu Constantin]

Sănătate!

[Ioan Muntean]