Optické jevy v atmosféře II Proseminář z optiky 11.10.2017

závisí na hustotě, tj. na teplotě a tlaku Index lomu vzduchu závisí na hustotě, tj. na teplotě a tlaku Je-li tento člen kladný, index lomu s výškou klesá. To nastává, roste-li teplota s výškou nebo klesá-li pomaleji než 3.42 K/100m. Při postupu paprsku vzhůru dochází k lomu od kolmice, může nastat totální odraz a svrchní zrcadlení. Je-li tento člen záporný, index lomu s výškou roste. To nastává, klesá-li teplota s výškou rychleji než 3.42 K/100m – spodní zrcadlení. Při postupu paprsku dolů dochází k lomu od kolmice, může nastat totální odraz a spodní zrcadlení. Standardní atmosféra – pokles o 0.65 K / 100m

Šíření paprsků Homogenní atmosféra – paprsky se šíří přímočaře Standardní atmosféra– hustota klesá s výškou Lom ke kolmici při šíření z horních vrstev atmosféry směrem k zemskému povrchu Teplota roste s výškou, zesílení lomu ke kolmici při šíření Z horních vrstev atmosféry směrem k zemskému povrchu

n.r.sina=C

Cirkulující paprsky ? Jaký gradient teploty je potřeba, aby paprsky v atmosféře sledovaly zakřivení Země Optické dráhy AB a A´B´musejí být stejné. Proto n(r)1/r Výpočtem lze ukázat, že dT/dh=120K/km, tj. 0.12K/m

Zobrazení – přenosová funkce Pozorovatel ve výšce 1.5m Cíl vysoký 2m ve vzdálenosti 1km Zakřivení paprsků v důsledku změn indexu lomu nepatrné Přenosová funkce je závislost výšky místa ze kterého vstupují paprsky do oka na úhlu pod kterým dané místo vidí pozorovatel http://aty.sdsu.edu/bibliog/toc.html#mirages

Standardní atmosféra Pokles teploty s výškou 6.5K/km, tj. 0.065K/m Dochází k mírnému lomu paprsků ke kolmici při přechodu do opticky hustšího prostředí. Pro vrstvu vzduchu kde by bylo dT/dh = 0.34K/m, je dn/dh=0. Paprsky by se šířily přímočaře.

Mírně vyšší než standardní pokles T s výškou Zvýšení/snížení elevace vzdálených objektů Zvýšení Snížení Mírně vyšší než standardní pokles T s výškou Silná teplotní inverze Přenosové funkce v obou případech lineární

Spodní zrcadlení Pokud teplota rychle klesá s výškou (index lomu s výškou roste) pozorujeme spodní zrcadlení Na povrchu Země je přehřátá vrstva vzduchu s nižší hustotou. Paprsky dopadající pod velkými úhly dopadu se lámou směrem vzhůru – totální odraz na opticky řidším prostředí.

Svrchní zrcadlení T Teplý vzduch Stud. Světelné paprsky se lámou dolů Pokud teplota stoupá s výškou (index lomu s výškou klesá) pozorujeme invertované obrazy protože světelné paprsky se lámou dolů při průchodu teplejším vzduchem který má menší index lomu. Někdy se těmto jevům říká Fata Morgana A způsobí invertovaný obraz nahoře na obloze Teplý vzduch Světelné paprsky se lámou dolů Ve vrstvě vzduchu s konstantní teplotou (indexem lomu) je objekt zobrazen normálně Stud. Paprsky se lámou více tam kde je větší gradient teploty T

Efekty vlnovodu I n II III h T III h I II

Efekty vlnovodu Zakřivení inverzní vrstvy je větší než zakřivení Země Paprsky 2, 0, -2 zachyceny inverzí

Efekty vlnovodu 1. křížení 2. křížení Objekty mezi 1. a 2. křížením jsou vidět invertovaně, objekty za 2. křížením Jsou vidět vzpřímeně

Efekty vlnovodu křížení Objekty s výškou cca 100m ve vzdálenosti větší než 50km jsou vidět invertovaně

Interakce světla s kapkou - modely  » d dipólový model, Rayleighův rozptyl (molekuly)   d Mieho rozptyl (malé kapky)  « d geometrický rozptyl (velké kapky, odraz, lom )

Barva oblohy Rayleighův rozptyl na molekulách + fluktuace koncentrace molekul na prostorové škále ~λ Rayleighův rozptyl na jedné osamocené molekule: rozměr molekuly <<λ dopadající nepolarizované záření polarizovatelnost vzdálenost od molekuly úhel rozptylu Ideálně homogenní prostředí: rozptýlené vlny se navzájem vyruší a pokračuje pouze původní vlna s indexem lomu; žádný rozptyl. Pro „makroskopický“ rozptyl nutná nehomogenita = fluktuace v koncentraci molekul =fluktuace indexu lomu Z hlediska modelu spojitého prostředí: přidání „zdroje“ do vlnové rovnice

Rozptyl světla v atmosféře

Modré nebe - shrnutí

Zelený záblesk

Zvětšení při spodním zrcadlení Paprsek vstupující do oka pod úhlem -5 přináší v důsledku lomu informaci o předmětu z místa ležícího nad paprsky -3 a -4. Dochází tedy k inverznímu zobrazení spojenému se zvětšením invertovaného obrazu.

Západ slunce se spodním zrcadlením - zelený záblesk

Halové jevy

Hlavní halové jevy Hlavní halové jevy malé halo 22o velké halo 46o horizontální kruh halový sloup parhelia (boční slunce malého hala) Lowitzovy oblouky paranthelia 120o dolní a horní dotykový oblouk Parryho oblouk dotykové oblouky velkého hala antihelium (protislunce na zadní straně horizontálního kruhu) cirkumzenitální oblouk Hlavní halové jevy odraz a lom na ledových krystalcích

Horní a dolní sloup Horní sloup Dolní sloup

Horní a dolní sloup

Malé a velké halo Malé halo Velké halo

Malé a velké halo

22 Degree Halo – Danson Festival 22 Deg Halo - Solar Observing Day

Parhelium –vedlejší slunce Vznikají lomem paprsků, které procházejí bočními stěnami krystalků ve tvaru destiček

spodní slunce odraz na ledových krystalcích

Příčiny polarizace halových jevů Fresnelovy vztahy – různá intenzita odraženého a tím i procházejícího světla pro obě složky lineární polarizace Dvojlom – lomené paprsky vycházejí z ledu prostorově oddělené s navzájem kolmou polarizací

Polarizační distribuce 22 hala a parhelia I1 intenzita světla polarizovaného v rovině rozptylu I2 intenzita světla polarizovaného kolmo k rovině rozptylu Ipol = I1 - I2 G.P.Können, J.Opt.Soc.Am. 73, (1983) 1629

Horní a dolní dotykový oblouk                                                                       dolní dotykový oblouk Horní dotykový oblouk horní dotykový oblouk

Cirkumzenitální oblouk                                                             orientované ploché krystaly