- Stahuj zápisky z přednášek a ostatní studijní materiály
- Zapisuj si jen kvalitní vyučující (obsáhlá databáze referencí)
- Nastav si své předměty a buď stále v obraze
- Zapoj se svojí aktivitou do soutěže o ceny
- Založ si svůj profil, aby tě tví spolužáci mohli najít
- Najdi své přátele podle místa kde bydlíš nebo školy kterou studuješ
- Diskutuj ve skupinách o tématech, které tě zajímají
Studijní materiály
Hromadně přidat materiály
skripta atmosferické optické jevy
AAA16E - Meteorologie a klimatologie
Hodnocení materiálu:
Vyučující: Dr. Ing. Jan Pivec
Zjednodušená ukázka:
Stáhnout celý tento materiálAtmosférické
OPTICKÉ JEVY
Petr Skřehot
Meteorologická Operativní Rada
OBSAH
1 ATMOSFÉRA ZEMĚ ........................................................................................................... 3
1.1 STRUČNÁ HISTORIE VÝVOJE ATMOSFÉRY........................................................................... 3
1.2 ATMOSFÉRICKÁ FAKTOGRAFIE.......................................................................................... 4
2 ATMOSFÉRICKÁ OPTIKA................................................................................................ 6
2.1 ŠÍŘENÍ SVĚTELNÝCH PAPRSKŮ V DIELEKTRIKU.................................................................. 6
2.2 TRAJEKTORIE SVĚTELNÝCH PAPRSKŮ V ATMOSFÉŘE ......................................................... 7
2.3 ROZPTYL SVĚTLA NA VODNÍCH KAPKÁCH ......................................................................... 9
2.3.1 Odraz světla na sférické kapce................................................................................ 9
2.3.2 Lom světla bez vnitřních odrazů............................................................................ 10
2.3.3 Lom světla s vnitřními odrazy ............................................................................... 12
2.4 ROZPTYL SVĚTLA NA LEDOVÝCH KRYSTALCÍCH.............................................................. 14
3 FOTOMETEORY................................................................................................................ 17
3.1 DUHY.............................................................................................................................. 17
3.2 KORÓNY ......................................................................................................................... 19
3.3 GLÓRIE ........................................................................................................................... 20
3.4 IRIZACE OBLAKŮ............................................................................................................. 21
3.5 HALOVÉ JEVY ................................................................................................................. 22
3.5.1 Přehled nejčastějších halových jevů...................................................................... 22
3.5.1.1 Malé halo........................................................................................................... 23
3.5.1.2 Velké halo ......................................................................................................... 23
3.5.1.3 Horizontální kruh .............................................................................................. 23
3.5.1.4 Halový sloup ..................................................................................................... 23
3.5.1.5 Vedlejší slunce malého hala.............................................................................. 24
3.5.1.6 Lowitzovy oblouky ........................................................................................... 24
3.5.1.7 Paranthelia......................................................................................................... 24
3.5.1.8 Dotykové oblouky malého hala......................................................................... 24
3.5.1.9 Parryho oblouk .................................................................................................. 24
3.5.1.10 Dotykové oblouky velkého hala ................................................................... 24
3.5.1.11 Protislunce..................................................................................................... 25
3.5.1.12 Horní cirkumzenitální oblouk ....................................................................... 25
3.6 SOUMRAKOVÉ JEVY ........................................................................................................ 26
3.6.1 Fialová záře........................................................................................................... 27
3.6.2 Zelený paprsek....................................................................................................... 27
3.6.3 Ostatní soumrakové jevy ....................................................................................... 28
3.6.4 Zdánlivé zvětšení slunečního nebo měsíčního disku.............................................. 28
4 OSTATNÍ OPTICKÉ ÚKAZY........................................................................................... 29
4.1 BLESKY........................................................................................................................... 29
4.1.1 Čárový blesk.......................................................................................................... 29
4.1.2 Rozvětvený blesk.................................................................................................... 29
4.1.3 Kulový blesk .......................................................................................................... 29
4.1.4 Plošný blesk........................................................................................................... 30
4.2 ELIÁŠŮV OHEŇ................................................................................................................ 31
4.3 POLÁRNÍ ZÁŘE ................................................................................................................ 32
4.4 TYNDALLŮV JEV ............................................................................................................. 33
4.5 BISHOPŮV KRUH ............................................................................................................. 33
4.6 METEORY ....................................................................................................................... 33
2
1 ATMOSFÉRA ZEMĚ
1.1 Stručná historie vývoje atmosféry
Zemská atmosféra tvoří plynný obal naší planety Země. Pro vznik života a pro
jeho další vývoj na naší planetě sehrála v historii nepochybně jednu z nejdůležitějších
rolí. Neméně důležitou úlohu má i dnes, neboť je stále sférou, která život na této
planetě chrání, udržuje a napomáhá k jeho dalšímu rozvoji.
Složení i hustota atmosféry se během věků měnily a to v závislosti na
geologických i biologických podmínkách, které zde v minulosti panovaly. Moderní
představy hovoří o tom, že Země vznikla před 4,5 miliardami let. Spolu se vznikem
naší planety vznikala také atmosféra, která byla o to hustší, oč větší původní
protoplaneta byla. Atmosféra Země byla zpočátku natolik hustá, že ji lze, a to i na
základě svého složení, připodobnit k atmosféře na dnešní Venuši. Hlavními složkami
byl oxid uhličitý (CO
2
), oxidy síry – zejména oxid siřičitý (SO
2
), dusík (N
2
), oxidy
dusíku (NO
x
), vodní pára a stopové množství vzácných plynů a ostatních plynů
(čpavek, vodík, methan). Kromě jiného obsahovala tehdejší atmosféra, díky častým
sopečným erupcím, také mnoho prachových částic, které sehrály v pozdějších údobích
velmi důležitou roli coby kondenzační jádra.
Postupem času, když začala vulkanická činnost ustávat, začala Země chladnout.
Teplota atmosféry z původních několika set stupňů klesla až na hodnotu, kdy mohlo
docházet ke vzniku oblačnosti a též k prvním atmosférickým srážkám. Této etapě
vývoje atmosféry říkáme fáze kondenzace vodní páry při níž postupně většina vodní
páry zkondenzovala a vznikly první řeky, jezera a oceány.
Světový oceán se již před 3,9 miliardami let stal kolébkou života. Vznikly zde
první jednobuněčné organismy, které měly svou životní existenci spjatou se spotřebou
oxidu siřičitého. Snižující se koncentrace oxidu siřičitého a ústup vulkanické činnosti
však postupně tyto mikroby předurčila k zániku. Postupnou genezí ale na jejich místo
nastoupily zprvu organismy spotřebovávající oxid uhličitý a nakonec i ty, jež kyslík ke
svému životu nezbytně potřebují.
Od okamžiku, kdy v atmosféře začalo docházet k úbytku oxidu uhličitého, se
začalo také výrazně měnit globální klima. To bylo výrazně ovlivňováno skleníkovým
efektem, jehož důsledky začaly být postupně tlumeny a teplota atmosféry postupně
poklesla až na dnešní hodnoty. Současná úroveň skleníkového efektu, která se zde
udržuje již po několik stovek miliónů let, upravuje globální klima tak, že poskytuje na
souších příhodné podmínky pro život.
3
1.2 Atmosférická faktografie
Dnešní podoba a složení atmosféry je známá i žáku základní školy. Nicméně
opakování matka moudrosti, jak prohlásil J.A.Komenský, takže si zopakujme oněch
několik faktů vážících se k atmosféře. V tabulce 1 je zrekapitulováno chemické složení
atmosféry
Tabulka 1: Zastoupení jednotlivých plynů v dnešní atmosféře
Plyn Chemický vzorec
Zastoupení
v hmotnostních
procentech
Dusík N
2
78,08%
Kyslík O
2
20,95%
Argon Ar 0,93%
Oxid uhličitý CO
2
0,038%
Vodní pára a ostatní
plyny
H
2
O 0,01%
Vedle výše uvedených plynů obsahuje atmosféra i množství tuhých částic,
kapiček vody a krystalů ledu či solí a to ať už přírodního nebo anthropogenního
původu. Z fyzikálního hlediska lze atmosféru tedy považovat za řídký aerosol.
Atmosféra Země sahá do výšek 30 až 40 tisíc kilometrů a přechází bez výrazné
horní hranice do meziplanetárního prostoru. V důsledku promíchávání vzduchu se jeho
složení do výšky přibližně 90 až 95 km nemění (kromě obsahu oxidu uhličitého a
ozónu). Množství oxidu uhličitého se mění v závislosti na čase a místě, množství
ozónu především pak na výšce. U zemského povrchu je koncentrace přírodního ozónu
nepatrná, větší je ve výškách 10 až 50 km, v tzv. ozonosféře. V nižších výškách,
zvláště ve městech, se vyskytuje tzv. přízemní ozón, za jehož výskyt může zejména
automobilový provoz. Nutno poznamenat, že ozón je velmi reaktivní a smrtelně
jedovatý plyn.
Jak už bylo zmíněno výše, velmi významnou roli hraje v atmosféře voda.
Můžeme ji zde nalézt ve skupenství pevném, kapalném i plynném. Její převážná část
je soustředěna v troposféře, tedy ve spodních 10 km atmosféry. Její obsah se zde
pohybuje od 0,2 do 4 objemových procent. Průměrný obsah vláhy v zemské atmosféře
se rovná podle P.D.Astapenka 1,23.10
16
kg, což odpovídá celosvětové srážkové vrstvě
22 mm. Průměrný roční úhrn atmosférických srážek na Zemi se odhaduje na
5,26.10
17
kg. Vodní pára se nad každým místem zemského povrchu obnovuje
v důsledku oběhu vláhy v průměru 47krát za rok, tedy asi každých 8 dní.
Celková hmotnost atmosféry je podle K. E. Trenbertha 5,137.10
18
kg, tj. přibližně
jedna milióntina hmotnosti planety Země. Přibližně celá polovina hmotnosti atmosféry
4
je soustředěna ve spodních 5,5 km, zhruba 75% ve spodních 10 km, 90% pod 20km a
nad 36 km se vyskytuje jen asi jen 1% její celkové hmotnosti.
Podle průběhu některých fyzikálních prvků se zemská atmosféra rozděluje do
řady vrstev (viz obr. 1).
Obr. 1: Výškové členění zemské atmosféry na jednotlivé vrstvy
Na závěr uveďme ještě něco málo o teplotě, tlaku a hustotě vzduchu, což jsou
veličiny měnící se v závislosti na výšce. V tabulce 2 jsou uvedeny průměrné hodnoty
těchto veličin považované za standardy pro spodní a horní hranici troposféry.
Tabulka 2: Průměrné hodnoty teploty vzduchu, tlaku vzduchu, hustoty vzduchu a
gravitačního zrychlení v různých nadmořských výškách
Nadmořská
výška
Teplota Tlak Hustota
Gravitační
zrychlení
0 m 15°C 1013,25 hPa 1,225 kg/m
3
9,8066 m/s
2
11 019 m –56,5°C 226,32 hPa 0,36319 kg/m
3
9,7727 m/s
2
Od hladiny moře do výšky 11 019 metrů teplota vzduchu za normálních
podmínek (ne za teplotní inverze) ubývá o 0,65°C na každých 100 metrů výšky.
Průměrná teplota celé atmosféry byla vypočtena na –20,7°C, což odpovídá teplotě
vzduchu ve výšce 5500 metrů.
5
2 ATMOSFÉRICKÁ OPTIKA
2.1 Šíření světelných paprsků v dielektriku
Viditelné světlo je druh elektromagnetického záření o vlnových délkách od
400 nanometrů do 750 nanometrů. Vzduch představuje dielektrikum, ve kterém se
světlo šíří. Pro výpočet rychlosti šíření světla v tomto prostředí je potřeba vycházet
z Maxwellových rovnic. Pro naše potřeby postačí, když budeme vycházet z již
odvozených výsledků těchto rovnic pro atmosférické prostředí. Případné zájemce o
jednotlivá řešení těchto rovnic směle odkazuji na publikaci Pozoruhodné jevy v
atmosféře .
Pro rychlost světla ve vakuu platí vztah:
00
1
µε
=c
kde ε
0
je permitivita vakua a µ
0
magnetická permeabilita vakua.
Pro velikost postupné rychlosti, kterou se elektromagnetické vlnění šíří v určitém
prostředí o různém ε
r
a µ
r
platí:
22
1
vc
rr
=
µε
odkud dostáváme
rr
c
v
µε
=
Jelikož se pro vzduch µ
r
rovná přibližně 1, zjednodušujeme rovnici do tvaru
r
c
v
ε
=
6
2.2 Trajektorie světelných paprsků v atmosféře
Na základě průchodu paprsku dvěma vrstvami o různých hustotách, v nichž se
šíří různou rychlostí, dochází na rozhraní těchto vrstev ke změně trajektorie paprsku.
Tato změna je charakterizována veličinou nazývanou index lomu, který fyzikálně
popisuje vztah:
11
22
2
1
1
2
1
1
sin
sin
rr
rr
v
v
n
n
µε
µε
β
α
===
Budeme-li uvažovat, že se vzrůstající výškou se mění fyzikální parametry
atmosféry, můžeme problém průchodu paprsku aproximovat tak, že jednotlivé vrstvy
atmosféry budeme považovat za nespojitě se měnící prostředí s ostrými rozhraními.
Tato aproximace je uvedena schematicky na obrázku 2, kde zóny 1, 2, 3 značí
jednotlivé vzduchové hmoty, bod S pak charakterizuje střed Země. Jelikož je však
atmosféra ve svých nižších partiích prostředím měnícím se spojitě, přejde lomená
křivka v parabolu.
Obr. 2: Trajektorie světelného paprsku průchodem atmosférou
Na základě výše uvedené příčiny, kterou jsme si alespoň povrchně vysvětlili,
vzniká jev nazývaný astronomická refrakce (viz obr. 3). Pozorovatel nalézající se
v bodě P sleduje např. určitou hvězdu, která by se při neexistenci lomu světelných
paprsků v atmosféře nacházela na nebeské klenbě v bodě A. Světelný paprsek
procházející ovzduším shora dolů však postupuje do stále hustších vzduchových vrstev
a lomí se proto ke kolmici. Pozorovatel potom vnímá danou hvězdu ve směru tečny
vedené ke křivce trajektorie zakřiveného paprsku a vnímá hvězdu v bodě A’.
7
Obr. 3: Vznik astronomické refrakce Obr. 4: Vznik spodního zrcadlení
Podobnými principy vznikají další pozoruhodné jevy jakými jsou zvednutí
obzoru, svrchní a spodní zrcadlení (fata morgána) (viz obr. 4), ale též zdánlivé
zvětšení kotoučů Slunce a Měsíce při východu či západu (viz obr. 5).
d‘
Obr. 5: Zdánlivé zvětšení kotouče Slunce či Měsíce při jejich východu či západu
Polohu kotouče vnímá pozorovatel v bodě B‘, což je, jak nám ukazuje obrázek,
výše, než jak je tomu ve skutečnosti (bod B).
8
2.3 Rozptyl světla na vodních kapkách
Detailní studium fyzikálních jevů provázejících interakci světla s vodními
kapkami umožňuje popis a vysvětlení vzniku duh, korón a glórií. Malé částice
splňující podmínky Rayleighova rozptylu z našeho studia vynecháme, neboť pro
vysvětlení výše uvedených fotometeorů musíme uvažovat kapky větších rozměrů
(řádu desetin až jednotek milimetrů).
V podstatě se lze setkat se třemi hlavními typy jevů: 1) odraz světla na sférické
kapce, 2) lom světla bez vnitřních odrazů a 3) lom světla s vnitřními odrazy na
vodních kapkách.
2.3.1 Odraz světla na sférické kapce
Uvažujme svazek rovnoběžných nepolarizovaných světelných paprsků
dopadajících podél osy x na sférickou kapku (viz obr. 6) a omezme se pouze na tu
jejich část, která se od povrchu kapky odráží. Úhel dopadu α se u paprsku ležícího
v ose x procházející středem kapky rovná nule, avšak čím více je dopadající paprsek
od osy x vzdálen, tím roste α až k hodnotě π/2 (v úhlových jednotkách rovno 90°), jíž
nabývá u paprsku dotýkajícího se jen kontur kapky v bodě A nebo A’.
Pro vzájemný vztah relativního indexu lomu a úhlu dopadu, resp. odrazu zcela
polarizovaného světla platí jednoduchá zákonitost:
tg α = n
r
Obr. 6: Odraz světelných paprsků na sférické kapce
9
2.3.2 Lom světla bez vnitřních odrazů
Přichází-li světelný paprsek do styku s povrchem sférické kapky dochází ke
změně jeho trajektorie. Část světelných paprsků se láme, vzhledem k tečně k povrchu
kapky v bodě střetu paprsku s povrchem kapky, pod stejným úhlem pod jakým
vzhledem k této tečně do kapky „narazil“. Celá situace se dá připodobnit k odrazu od
rovinného zrcadla, bylo-li by toto zrcadlo rovinou tečnou k povrchu kapky právě
v onom bodě střetu paprsku s kapkou. V tomto případě se paprsek po kapce jakoby
sklouzne a směřuje posléze od kapky pryč.
Může však nastat případ, kdy se paprsek láme nikoliv vně ale dovnitř kapky.
A právě tento případ je pro účel našeho studia důležitý. Na obrázku 7 je celá situace
zakreslena. Dopadající světelný paprsek se v bodě A na povrchu kapky lomí, vstupuje
do ní a v bodě B, kde se opět láme, kapku opouští. Úhel, pod kterým paprsek z kapky
vystupuje je stejný, jako úhel pod kterým na ni dopadá (v obou případech označen α).
A
A’’
A’
Obr. 7: Dvojnásobný lom světelného paprsku (bez vnitřních odrazů) na kapce
Detailním matematickým rozborem, kterým se zde však nebudeme zabývat, se
můžeme dobrat k mezním hodnotám úhlu dopadu paprsku, aby byl lom na povrchu
kapky směrem dovnitř realizovatelný. Z limitního zákona
( )
r
n=
−
→
1
2/
sinlim β
πα
dostáváme za předpokladu, že relativní index lomu pro prostředí voda-vzduch je
10
n
r
=1,33 , hodnotu úhlu β=48°45′. Z toho vyplývá, že při lomu svazku rovnoběžných
paprsků na sférické kapce směřují všechny vystupující paprsky do celého prostoru
vyjma nekonečného kužele, který má osu symetrie rovnoběžnou se směrem
dopadajících paprsků, kruhový průřez kolmý na osu x a vrcholový úhel o velikosti
přibližně 165°. Na obrázku 7 je tento kužel znázorněn šikmými čárkovanými čarami,
takže doprava od této hranice je prostor, kudy se mohou paprsky vycházející z kapky
šířit.
K odrazu světla do směru původních paprsků dochází u sférické částice na jejích
konturách znázorněných na obrázku 7 body A resp. A’. Úhel dopadu je v tomto
případě roven 90° a vzhledem k faktoru odrazivosti pro tento případ, dochází k odrazu
veškerého dopadajícího záření (žádné záření neproniká do kapky). Kvalitativně
obdobný závěr platí i pro rovinné vodní plochy, což jen potvrzuje velkou schopnost
nerozvlněných vodních ploch odrážet přímé sluneční záření, nalézá-li se Slunce velmi
nízko nad obzorem. Naproti tomu při odrazu do směru přesně opačného ke směru
dopadajících paprsků, je úhel dopadu roven nule (tj. paprsek dopadá kolmo na rozhraní
dvou prostředí – na obr. 7 v bodě A’’). Pro rozhranní vzduch-voda při relativním
indexu lomu n
r
=1,33 se pak odrážejí pouze 2% dopadající energie (ve směru opačném,
než směr původní trajektorie paprsku). Podobně vodní plochy při polohách Slunce
vysoko nad obzorem silně absorbují dopadající přímé sluneční záření.
11
2.3.3 Lom světla s vnitřními odrazy
Třetím zmiňovaným případem, který může nastat při interakci světelného
paprsku s vodní kapku, je lom světla spolu s probíha
Vloženo: 24.06.2009
Velikost: 839,37 kB
Komentáře
Tento materiál neobsahuje žádné komentáře.
Mohlo by tě zajímat:
Skupina předmětu AAA16E - Meteorologie a klimatologie
Reference vyučujících předmětu AAA16E - Meteorologie a klimatologie
Reference vyučujícího Dr. Ing. Jan Pivec
Podobné materiály
- AVA13E - Zoohygiena a prevence - skripta
- ASA12E - Chov laboratorních zvířat - Skripta 1/2 - na zkoušku stačí :)
- ASA12E - Chov laboratorních zvířat - Skripta 2/2 na zkoušku stačí :)
- AAA16E - Meteorologie a klimatologie - skripta meteorologické stanice a přístroje
- AAA16E - Meteorologie a klimatologie - skripta klasifikace oblaků
- ADA04E - Chov drůbeže - skripta drůbež
- AVA17E - Zoohygiena - skripta
- AHa02E - Výživa hospodářských zvířat - Skripta
- AAA82E - Agroekologie - skripta
- AEA25E - Zoologie bezobratlých - skripta
- AEA26E - Zoologie obratlovců - skripta
- ARA25E - Pěstování rostlin a prostředí - Odkazy na skripta
- EJA05E - Základy právních nauk-AF Ing. - Odkazy na skripta
- ASA17E - Chov skotu a ovcí - Skripta k ovcím od Štolce
- AKA23E - Výživa koní - skripta
Copyright 2024 unium.cz