No właśnie, po co?

Nazwa halo obejmuje cały szereg dość skomplikowanych zjawisk optycznych, związanych z załamywaniem, jak również odbijaniem się promieni słonecznych w kryształkach lodu. Z kryształków tych, jak wiemy zbudowane są w większości chmury. Zazwyczaj możemy obserwować to zjawisko, jako świetlistą aureolę, często tęczową (załamanie światła na kryształkach) wokół Słońca lub Księżyca.

halo wokół Księżyca (źródło zdjęcia: wikipedia)

Zjawisko to pojawia się także w innych okolicznościach, ale muszą zostać spełnione specjalne warunki – Słońce musi być nisko nad horyzontem, my wysoko w górach, a pod nami chmury. Wówczas na tle tychże obłoków, zobaczymy tzw. widmo Brockenu – duże halo z kilkoma nawet pierścieniami, z naszym cieniem wewnątrz. Poniżej dwa zdjęcia tego ciekawego zjawiska…

widmo Brockenu helikopter (źródło: wikipedia en)

widmo Brockenu (źródło: wikipedia en)

Jak to się wszystko dzieje?

Każde dziecko wie, jak wygląda płatek śniegu, tych jednak, którzy pewni nie są, odsyłam do mojego wiekowego już wpisu o płatkach śniegu. Zatem, kryształki na których załamują się promienie świetlne mają kształt sześciokątnych płytek, bądź też sześciokątnych graniastosłupów. Zdarza się, że jedne z drugimi łączą się razem, przybierając postać przypominającą kanciaste szpulki od nici –  i to właśnie ten przypadek musi wystąpić, byśmy mogli obserwować na niebie piękne halo. Opis samego zjawiska, jakie zachodzi wewnątrz owych tworów, zająłby mi niestety zbyt wiele miejsca, dlatego skupię się na najważniejszych tylko aspektach.

Ściany lodowych graniastosłupów zachowują się dokładnie tak, jak kąty dwuścienne pryzmatu – padające na nie światło ulega w nich załamaniu, jak również odbiciu. Po pewnych, niewielkich obliczeniach (potrzebne?) otrzymujemy, że małe halo występuje, gdy kąt odchylenia promienia wychodzącego, względem padającego, wynosi 22 stopnie, duże halo natomiast występuje przy 46 stopniach.  Promienie świetlne oczywiście mogą wychodzić ze „szpulek” pod innym kątem, jednak natężenie światła jest wówczas znacznie mniejsze i daje złudzenie pewnej mgiełki wokół obserwowanego pierścienia.

powstawanie efektu (małego) halo (źródło: chmury.pl)

Gdy efekt halo jest bardzo mocny, można się spodziewać, że w granicach pierścienia ujrzymy dwa quasi-księżyce lub quasi-słońca, ale to już temat na kolejny wpis…

Byłabym zapomniała! Zazwyczaj halo występuje wraz z cirrusami wróżąc zmianę frontu atmosferycznego. Zbliża się niż, a co za tym idzie, za kilkadziesiąt godzin pogoda zmieni się na brzydką, tzn. zachmurzoną i deszczową, więc cieszcie się piękną pogodą póki czas!

Swoje informacje zaczerpnęłam z bardzo ciekawej książki pt. „Zjawiska optyczne w przyrodzie” p. Wikientija Bułata.

Śnieg powstaje z połączenia się kryształków lodu w wyniku bezpośredniej zmiany pary wodnej zawartej w powietrzu w lód. Mamy tu zatem do czynienia ze zjawiskiem resublimacji. Kryształ lodu ze względu na swoją charakterystyczną budowę wiązań ma kształt graniastosłupa o podstawie sześciokąta. Dlatego też kryształy lodu mają sześciokrotną oś symetrii którą możemy zaobserwować w kształcie płatków śniegu.
Płatki śniegu powstają w chmurach, gdzie znajduje się duże nasycenie pary wodnej. Gdy temperatura staje się ujemna i znajdzie się jakieś centrum krystalizacji na przykład drobinka kurzu lub pyłek kwiatowy – rozpoczyna się na nim kondensacja cząsteczek wody i tworzenie kryształu.
Tworzące się płatki mogą mieć, zależnie od temperatury i wilgotności powietrza różne kształty. Zazwyczaj są to sześcioramienne symetryczne gwiazdki. Mogą też mieć kształt płaskich sześciokątnych płytek, igiełek, słupków, krążków, a czasem nieregularnych brył. Najpierw wszystkie kryształki lodu rosną tak samo, formując sześcian foremny. W czasie podróży płatka śniegu w kierunku powierzchni ziemi zmienia się zarówno wilgotność, jak i temperatura otoczenia. Na wystających krawędziach mogą się tworzyć nowe kryształy inaczej ustawione w przestrzeni niż wcześniejsze formy. Taki proces może zajść nawet kilka razy od chwili powstania płatka śniegu do momentu, w którym dotknie on gruntu.
W bardzo niskich temperaturach, poniżej -20°C brak jest w padającym śniegu wymyślnych kształtów podobnych do gwiazdek. Na ziemskich biegunach pada śnieg w kształcie kolumienek czy płaskich płytek o podstawie sześciokąta. Największe i najpiękniejsze śnieżynki powstają w przedziale temperatur od -10°C do -20°C przy dużej wilgotności powietrza. W takich warunkach przyjmują one formę niewielkich płatków o rozmiarach od 2 do 4 milimetrów. Generalnie, im wyższa wilgotność, tym kryształki lodu mają bardziej złożone kształty. Gdy temperatura wynosi około -5°C, a wilgotność stosunkowo wysoka śnieg ma kształt igieł o przekroju sześciokątnym, często krzyżujących się lub pozlepianych ze sobą.
Nie ma dwóch takich samych płatków śniegu, bowiem nawet dla powstałych w bezpośrednim sąsiedztwie płatków droga na ziemię nigdy nie będzie taka sama. Tak więc wpływ zmiany temperatury i wilgotności na każdy z nich będzie inny. Poza tym dla każdego płatku inne może być centrum kondensacji, do którego przyczepiły się pierwsze cząsteczki wody. A od kształtu i wielkości tego centrum zależą pierwsze chwile formowania się płatka śniegowego. Drugim powodem jest to, że wodór i tlen występują w naturze w różnych odmianach. Niektóre cząsteczki wody może tworzyć zamiast zwykłego wodoru deuter, a zamiast tlenu O¹⁶ jego izotop O¹⁸.

Przy opracowaniu tematu skorzystano z następujących publikacji:

Podręcznik dla gimnazjum wydawnictwa „Nowa Era”
Artykuł z numeru 2/2006 czasopisma „Wiedza i Życie”
Strona internetowa:

http://www.fizyka.net.pl

http://www.its.caltech.edu/~atomic/snowcrystals/

http://chemistry.about.com/od/snowsnowflakes/tp/snowflakeshapes.htm

Błękit nieba sprawia, że świat wydaje się piękniejszy, zwiastuje nam piękną pogodę, napawa radością. Jednak nie zawsze możemy go obserwować i może właśnie z tego powodu jest on dla nas tak inspirujący… Gdy jest na zewnątrz bardzo sucho błękit blednie lub staje się prawie biały nad samym horyzontem, natomiast przy wschodzie i zachodzie niebo przyjmuje prawie wszystkie barwy tęczy. Błękit nieba oglądany nad morzem, w górach będzie widoczny jako fiolet. Natomiast astronauci w przestrzeni kosmicznej zaobserwują czarne niebo ze Słońcem i widocznymi jednocześnie gwiazdami.

Dlaczego tak się dzieje?

Przyczyną, dzięki której obserwujemy różne kolory naszego nieba jest atmosfera ziemska. Dzięki wkładowi pracy Mariana Smoluchowskiego i Alberta Einsteina udało się wyjaśnić błękit barwy nieba i zorzy, jako następstwo rozpraszania światła na zagęszczeniach cząsteczek powietrza. Rozpraszanie jest zjawiskiem polegającym na oddziaływaniu światła z materią, w wyniku którego następuje zmiana kierunku rozchodzenia się światła (wyj. odbicie i załamanie światła). Daje to złudzenie świecenia ośrodka.

Na tych zagęszczeniach rozprasza się dużo światła fioletowego (na które oko ludzkie jest mało czułe), dużo światła niebieskiego i błękitnego (na które oko jest bardziej czułe) oraz nieco zielonego i żółtego. Złożenie tych barw daje barwę niebiesko-błękitną.

Gdy w powietrzu unosi się dużo pyłu, niebo wydaje się białawe. Podobnie, gdy w powietrzu pojawiają się pierzaste obłoki (będące skupiskami kryształków lodu) lub mgła (skupiska maleńkich kropelek wody) niebo staje się białe. Blado-biała barwa nieba spowodowana jest rozpraszaniem światła na cząstkach pyłu, kryształkach lodu, cząsteczkach wody, które jednakowo rozpraszają wszystkie fale świetlne.

Dlaczego mówię „wszystkie fale świetlne”? Otóż światło docierające do nas od Słońca jest tzw. światłem białym, będącym mieszaniną kilku barw. Pewnie wyda ci się to bardzo dziwne, ale w rzeczywistości białą barwę tworzy kilka barw – aby się przekonać, wystarczy w promień słoneczny wstawić pryzmat… Otrzymamy tęczę, którą w ten właśnie sposób otrzymał po raz pierwszy Izaak Newton… Fale świetlne (widzialne) należą do pewnego zakresu fal elektromagnetycznych – obejmujących także fale dźwiękowe, mikrofale, fale radiowe etc.

Ponieważ fale długie (zmierzające ku czerwieni) znacznie mniej się rozpraszają w naszej atmosferze, Słońce widoczne jest jako zółto-czerwona tarcza na nieboskłonie. Zapytacie w takim razie dlaczego przy wschodzie (zachodzie) niebo robi się czerwone? Znów obwinimy atmosferę – przy wschodzie (zachodzie) promienie słoneczne mają do przebycia znacznie dłuższą drogę niż w czasie górowania Słońca (w południe), dlatego też więcej długich fal ma szansę być rozproszonych.