Tęcza, gloria i widmo Brockenu
Transkrypt
Tęcza, gloria i widmo Brockenu
Tęcza, gloria i widmo Brockenu Karol Życzkowski (Instytut Fizyki UJ) Noc naukowców, 24 IX 2010 Zjawiska optyki atmosferycznej Tęcza: efekty zalamania światła i jego rozszczepienia na kroplach wody... Theodoric z Fryburga 1304 Doświadczenia z promieniem światła i naczyniem z wodą Prawo załamania światła 1620 1637 Snell (1620) oraz Kartezjusz (1637) Teoria Kartezjusza: odbicie promienia wewnątrz kropli wody Kolory tęczy - Newton: wytłumaczenie rozszczepienia światła białego I rząd II rząd Barwy płyty CD Interferencja fal świetlnych Teorie tęczy (rozpraszania światła na kroplach wody): Kartezjusz - kształt, położenie Newton - kolory Airy 1838 (dyfrakcja, całka Airy’ego!) Debye 1908 - wyższe rzędy - szereg Debye’a Mie 1911 - ścisła teoria rozpraszania van de Hulst - 1947 - współczesna teoria glorii Tęcze pierwszego (dolna) i drugiego rzędu (górna, obrocona!) ciemniejszy pas Aleksandra pomiędzy tęczami Poniżej kolorowe wstążki tęczy nadmiarowej zjawisko dyfrakcji światła Optyczne zjawiska kropelkowe: 1.Nimb (Heiligenschein) 2. Korona 3. Gloria Nimb Zjawisko optyczne powstające przy oświetleniu promieniami słońca kropelek rosy zawieszonych nad powierzchnią liści.... Małe kropelki wody wiszą nad powierzchnią liścia... Światło ogniskuje się na powierzchni liścia i odbija się wstecz trafiając przez kroplę do obserwatora. Korona : zjawisko optyczne wokół słońca (księżyca) wywołane przez kropelki wody... Koronę słoneczną bezpieczniej jest obserwować w świetle odbitym... Gloria = antykorona! obserwowana jest w punkcie przeciwsłonecznym (antisolar point) Teoria glorii: rozpraszanie światła na kroplach wody: H. C. van de Hulst, “A theory of the anti-coronae,” J. Opt. Soc. Am. 37, 16 (1947). Widmo Brockenu Brocken w górach Harz, 1114m Now to the Brocken the witches ride; The stubble is gold and the corn is green; There is the carnival crew to be seen, And Squire Urianus will come to preside. So over the valleys our company floats, With witches a-farting on stinking old goats. J. W. Goethe, Faust, 1808 Zjazd czarownic na górze Brocken podczas nocy Walpurgii: 30IV/1V Widmo Brockenu Teoria Debye’a: (1908) klasyfikacja trajektorii: p=0: odbicie (+dyfrakcja) p=1: załamanie na kropelce p=2: 1 wewnętrzne odbicie p=3: 2 wewnętrzne odbicie ..... p: (p-1) wewnętrznych odbić n = 1.33257 Względne nateżenia wiązek odbitych dla tęczy I rzędu w zależności od polaryzacji tęcza= rainbow fogbow Natężenie światła czerwonego (λ= 0.65 µm), na kroplach wody (współczynnik załamania n=1.3325) o promieniu 0.1, 1, 10, 100 oraz 1000 µm. Natężenie światła w funkcji kąta rozpraszania dla kropli wody o promieniu r =100µm tęcza II rzędu (127º) oraz I rzędu (138º) Teoria Mie: rozpraszanie światła na (małych) kulkach... Równania Maxwella + dyfrakacja+ odbicia wewnętrzne+ sumowanie szeregu wyrazów określanego przez (dowolnie dużą) liczbę odbić wewnętrznych. Przykład: rozproszenie na kropelce wody o r = 10μm Teoria Mie = suma szeregu nieskończonego Teoria Debye’a dla p=2 Widmo Brockenu: teoria i obserwacja Wielkość fitowana: promień kropel wody: r = 10μm ©2002 Nik Szymanek, La Palma, Canary Islands Gloria widziana z mostu Golden Gate Bridge. Photo by Mila Zinkova Pinnacle Ridge, Penyr Ole Wen, Wales, John Hardwick, February 1993 Pseudo widmo Brockenu (w oświetleniu sztucznym podczas mgły....) “Absorption and scattering of light by small particles”, C.Bohren and D. Huffmann, (1983) “W przeciwieństwie do tęczy, glorii nie da się prosto wytłumaczyć. Można rzec, że gloria powstaje w wyniku złożenia tysięcy członów opisujących rozpraszanie światła na małych kroplach, co nie jest bardzo zadawalające...” “Does the glory have a simple explanation?” H.Nussenzveig Opt. Lett. 27, 1379 (2002). “Teoria Mie opisuje glorię poprzez sumę dużej liczby skomplikowanych członów, których fizycznego mechanizmu nie da się rozróżnić.” Widmo Brockenu: obserwacje w terenie, marzec 2007 Widmo Brockenu: rokowania na przyszłość 1. Kto raz zobaczył widmo Brockenu, ten zginie w górach 2. Kto trzy razy zobaczył widmo Brockenu, ten zginie w górach 3. Kto raz zobaczył widmo Brockenu, zginie w górach. Zobaczenie widma po raz trzeci, odwraca złą przyszłość... Empiryczna analiza powyższych hipotez: w toku... Konkluzje 1.Idąc przez życie stąpajcie twardo po ziemi często patrząc pod nogi, aby nie wdepnąć w coś brzydkiego.. 2. Co pewien czas dumnie podnoście głowę i patrzcie w niebo. Z pewnością ujrzycie tam coś ciekawego...