Fenomene optice în natură

Fenomenele optice sunt rezultatul difracției (refracției) luminii solare

CURCUBEUL este un fenomen optic care apare când lumina Soarelui suferă fenomenele de refracţie, reflexie şi difracție la întâlnirea cu picăturile de apă din atmosferă.

Grecii antici considerau curcubeul drept zâmbetul zeiţei Iris, menit să împace Cerul şi Pământul după o ceartă (marcată cu tunete şi fulgere). De la Iris vine şi cuvântul "a iriza", adică a descompune lumina albă în cele şapte culori ale curcubeului: ROGVAIV.

Deşi Newton a fost preocupat şi a studiat în detaliu fenomenele optice de-a lungul vieţii sale, călugărul german ,Theodoric din Freiburg a fost primul om care a descoperit cum se reflectă şi se refractă lumina la contactul cu o picătură de apă. Pentru a-şi susţine ipotezele formulate pe această temă, călugărul a umplut o sferă cu apă, a direcţionat o rază de lumină solară spre aceasta şi a observat separarea luminii albe în culorile curcubeului, precum şi reflexia luminii la contactul cu partea opusă celei prin care raza a intrat în contact cu sfera.

Lumina albă de la soare suferă mai întâi o refracție la intrarea în picătura de apă, moment în care începe separarea culorilor. În partea opusă a picăturii are loc o reflexie la interfața dintre apă și aer (o parte din lumină iese afară, dar aceasta nu produce efectul de curcubeu). În continuare lumina iese din picătură printr-o a doua refracție, care amplifică separarea culorilor.

Pentru fiecare lungime de undă există un unghi la care intensitatea luminii ieșite din picătură are un maxim. Existența acestui maxim se explică astfel: funcția care face legătura dintre excentricitatea razei de intrare (distanța dintre raza de lumină care intră în picătură și centrul picăturii) și unghiul de ieșire (unghiul dintre raza de la intrare și cea de la ieșire) nu este monotonă, ci crește de la zero, are un punct de întoarcere și apoi scade. În jurul punctului de întoarcere, pentru un interval relativ larg de excentricități, unghiul de ieșire se modifică foarte puțin, ceea ce face, la acest unghi, să iasă din picătură o cantitate de lumină mult mai mare decât la alte unghiuri. Acest fenomen, combinat cu faptul că pentru fiecare lungime de undă, unghiul corespunzător maximului de intensitate luminoasă are altă valoare, explică formarea curcubeului sub forma unui arc colorat. Punctul de întoarcere menționat se remarcă prin faptul că partea atmosferei din interiorul arcului curcubeului este mai luminoasă decît cea din exterior.

Există mai multe fenomene fizice care stau la baza producerii curcubeului sau care îl pot influența:

• tensiunea superficială face ca picăturile de apă, mai ales cele foarte mici, să fie aproape perfect sferice.
• refracția și reflexia luminii explică de ce lumina curcubeului are altă direcție decît lumina de la soare.
• dispersia, adică dependența indicelui de refracție al apei de lungimea de undă a luminii, explică de ce curcubeele sunt colorate și nu doar albe.
• difracția luminii devine semnificativă atunci când picăturile de apă sunt extrem de mici, de ordinul micronilor, deci comparabile cu lungimea de undă (aproximativ 0,5 μm). În acest caz culorile curcubeului se estompează.

Unul dintre cele mai frumoase fenomene optice atmosferice este AURORA. Ea este specifică pentru toate planetele cu magnetosferă. Pe Pământ, aurorele sunt observate la latitudini mari în ambele emisfere, în zonele care înconjoară polii magnetici ai planetei. Cel mai des,se observă o strălucire verzuie sau albastru-verde, uneori completată de flash-uri de roșu și roz de-a lungul marginilor. Aurora intensă are forma unor panglici care se estompează în pete.

Aceste frumoase fenomene optice din atmosferă au o explicație științifică: Cerul de deasupra polilor nord și sud este împodobit cu o strălucire roz-verzuie, în timp ce particulele încărcate din vântul solar se ciocnesc cu atomii din atmosfera superioară a Pământului. Aceștia din urmă, ca urmare a interacțiunii, primesc energie suplimentară și o emit sub formă de lumină

CULORILE CERULUI

Culoarea cerului este atât de evidentă încât nici nu ne mai întrebăm de ce este cerul albastru. La trecerea prin atmosfera Pământului, lumina întâlnește moleculele de azot și oxigen (gazele atmosferice). Interacțiunea cea mai pronunțată se constată în cazul luminii cu lungimea de undă cea mai mică (violet, indigo și albastru), deoarece lungimea de undă se apropie ca dimensiune de cea a moleculelor gazelor respective. Astfel , lumina violetă și albastră este reflectată de la o moleculă la alta , încât crează impresia că vine de peste tot . De aceea cerul are culoare albastră

Lumina cu lungime de undă mai mare, galbenă, portocalie și roșie, interferează mai puțin cu moleculele azot și oxigen și trece ușor prin atmosferă. La apus și la răsărit drumul străbătut de razele solare prin atmosferă este mai lung și, culorile care reușesc să ajungă mai ușor la noi sunt roșul și portocaliul, în timp ce albastrul și violetul se pierd din ce în ce mai mult din cauza răspândirii acestora. Fenomenul poate fi accentuat de prezența moleculelor de apă, a norilor, a prafului sau a unor substanțe poluante.

Odată cu deplasarea Soarelui după orizont se schimbă unghiul de incidenţă a razelor Soarelui pe straturile atmosferice fapt ce determină variaţia culorii cerului în direcţia unde se află Soarele, spre răsărit sau spre apus.