skripta atmosferické optické jevy

jícím jedním či vícero vnitřních
odrazů uvnitř kapky. Skutečnost, že k tomuto jevu dochází, nám dokazují ty
nejkrásnější optické jevy jakými jsou duhy.
Na obrázku 8 resp. 9 je schématicky zobrazen průchod světelného paprsku
kapkou. V prvém případě (obr. 8) dochází k jednomu, v druhém (obr. 9) pak ke dvěma
vnitřním odrazům. Z obrázku je patrné, že úhel, pod nímž paprsek na kapku dopadá
(α) je stejný jako úhel pod nímž z kapky vystupuje. Úhel β pak značí úhel lomu.



Obr. 8: Jeden vnitřní odraz světelného paprsku na vodní kapce



Obr. 9: Dva vnitřní odrazy světelného paprsku na vodní kapce

12
Na základě podrobnějších matematických odvození ze zákonů optiky se lze
dobrat k jednoduchému vzorci, který v případě jednoho vnitřního odrazu dává do
vzájemné souvislosti úhel α a relativní index lomu n
r
na rozhranní dvou opticky
různých prostředí:

3
1
cos
2
−
=
r
n
α


odkud pro rozhranní vzduch voda (n
r
=1,33) vyplývá hodnota pro α
min
≅59,5°.
Dalšími výpočty, které vycházejí ze zde neuváděných vztahů (nejsou pro účely této
práce důležité), lze dospět k hodnotám minimálního úhlu lomu uvnitř kapky
β
min
≅40°20′ a rozptylového úhlu δ
(3)
min

≅138°. Důležité je uvědomit si, že ve směrech
odpovídajících tomuto rozptylovému úhlu dochází ke koncentraci intenzity světla.
Stopa vystupujícího paprsku v prostorovém znázornění potom ve zpětné projekci na
zdánlivou nebeskou sféru opíše kružnici, jejíž část je při dostatečné vzdálenosti
slunečního disku od zenitu patrná nad obzorem. Protože však index lomu n
r
závisí na
vlnové délce světla, je pro různé barvy slunečního spektra při stejném úhlu dopadu α o
něco odlišný úhel lomu β a tím i úhel minimální odchylky (δ
(3)
min
)(viz obr.13).
Zmíněný oblouk pak vnímáme jako spektrum duhy.
Jedním vnitřním odrazem přímých slunečních paprsků na vodních kapkách
vzniká duha hlavní (primární), který má vnější (horní) okraj červený a vnitřní (dolní)
fialový. Úhlová šířka pásu barev bývá kolem 2° a nejvyšší část duhového oblouku se
nalézá v úhlové výšce α
*
nad geometrickým obzorem, jež lze získat ze vztahu:

S
αα −=
∗ o
42


kde α
S
značí úhlovou výšku Slunce nad obzorem. Klesá-li Slunce k obzoru, pak se
oblouk duhy stále více vysouvá vzhůru a naopak při výšce Slunce nad obzorem více
jak 42° není duha ze země pozorovatelná vůbec.
Dvojnásobným vnitřním odrazem slunečních paprsků na vodních kapkách se vytváří
vedlejší (sekundární) duha a pro tento případ platí:

8
1
cos
2
−
=
r
n
α


Pro n
r
=1,33 pak α
min
≅72°, β
min
≅45°40′ a δ
(4)
min
≅230°. Protože se zde jedná o
sudý počet vnitřních odrazů, svírá vystupující paprsek se směrem dopadajících
paprsků úhel doplňkový k δ
(4)
min
do hodnoty 360°, tj. přibližně 130°, což při zpětné
projekci na nebeskou sféru znamená, že vedlejší duha se nalézá asi 8° nad duhou
hlavní. Jeden vnitřní odraz, který je u vedlejší duhy navíc ve srovnání s duhou hlavní,
se projevuje větší úhlovou šířkou barevného pásu (asi 4°), jeho menší výrazností a
převrácením sledu barev (vnější okraj fialový, vnitřní červený).
13
2.4 Rozptyl světla na ledových krystalcích

Budeme-li v této kapitole hovořit o optických jevech, jejichž podstatou je rozptyl
a odraz světla na ledových krystalech, pak máme na mysli souhrnně celou skupinu
halových jevů, jejichž jednotlivý zástupci jsou podrobněji popsáni v kapitole 3.5.1.
Podle způsobu vzniku můžeme halové jevy rozdělit na ty, které se vytvářejí
pouhým odrazem slunečních paprsků na stěnách ledových krystalků, zatímco do druhé
skupiny počítáme úkazy, k jejichž vysvětlení je nezbytné uvažovat lom světla.
V prvém případě je halový jev pouze bělavý, ve druhém mívá duhové nebo perleťové
zbarvení, přičemž červená barva je vždy na okraji bližším slunečnímu disku.
Připomeňme, že základním tvarem ledových krystalků je pravidelný šestiboký
hranolek, který má podobu sloupku, popř. destičky, nebo jsou vyvinuty pouze
krystalové osy tvořící ramena pravidelného šestiúhelníku, čímž vzniká tvar hvězdice
neboli dendritu (viz obr. 10).



Obr. 10: Základní tvary ledových krystalků. a) sloupek, b) destička, c) dendrit

Odrazem slunečních paprsků na vertikálně orientovaných krystalových stěnách se
vytváří horizontální kruh.
Šestiboké sloupky ledových krystalků, vyskytujících se v atmosféře, bývají někdy
zakončeny jehlanci a odrazem slunečních paprsků na jejich šikmých plochách pak
může vznikat halový jev v podobě části kružnice skloněné šikmo k horizontální
rovině.
Odrazem paprsků na horizontálně orientovaných krystalových plochách
(viz obr. 11) v případech kdy je Slunce nízko nad obzorem, vzniká halový sloup. Při
stejném odrazu slunečních paprsků, tzn. na horizontálně orientovaných krystalových
plochách, vzniká i spodní slunce, pozorovatelné z letadel nebo vysoko položených
horských míst zrcadlovým odrazem slunečního disku na níže ležící vrstvě ledových
oblaků.
14



Obr. 11: Vznik dolní (a) resp. horní (b) části halového sloupu

Poněkud složitější je výklad těch halových jevů, které předpokládají lom
slunečních paprsků, a vyznačují se proto zabarvením získaným v důsledku závislosti
indexu lomu na vlnové délce světla. Značná rozmanitost úkazů vyplývá především
z toho, že dochází k lomu na různých lámavých úhlech, při různé orientaci, popř.
pohybech krystalků.
Poměrně jednoduše lze vysvětlit vznik malého a velkého hala. Na obr. 12a je
znázorněna situace, kdy paprsek vstupuje od šestibokého hranolku ledového krystalu
pláštěm kolmo k hlavní krystalové ose a pláštěm opět vystupuje ven, což má za
následek vznik malého hala, zatímco při vzniku velkého hala paprsek vstupuje
podstavou kolmo k jedné dvojici jejich protilehlých hran a vystupuje pláštěm, jak
ukazuje obr. 12b. V obou případech značí α úhel dopadu a β úhel, pod nímž paprsek
z krystalu vystupuje. Podle Snelliova zákona pak platí:


Obr. 12a: Lom slunečních paprsků podílejících se na vzniku malého hala
Obr. 12b: Lom slunečních paprsků podílejících se na vzniku velkého hala


kde n
r
je relativní index lomu prostředí led-vzduch.

Podrobnějšími matematickými úvahami se více nebudeme zabývat, nicméně je
zde nutné zmínit, že na základě dalších výpočtů lze odvodit minimální odchylku
světelných paprsků, která činí pro malé halo 22° a velké halo 46°.
15
Pomocí obr. 12b můžeme ilustrovat i vznik horního cirkumzenitálního
oblouku. Na rozdíl od velkého hala je v tomto případě nutná vertikální orientace
hlavní osy hranolku. Horní cirkumzenitální oblouk lze pozorovat tehdy, jestliže Slunce
není výše než 32° nad geometrickým obzorem. Není-li tato podmínka splněna, brání
jeho vzniku totální odraz slunečních paprsků uvnitř ledových krystalků. Podobně i
dolní cirkumzenitální oblouk se může vytvořit, není-li Slunce vzdáleno od zenitu
více než 32°.
Příčiny vzniku vedlejších sluncí malého hala a jeho horní i dolní dotykové
oblouky spočívají v lomu paprsků při lámavé úhlu 60°. Vytvoření těchto vedlejších
sluncí vyžaduje, aby se šestiboké hranolky vyznačovaly vertikální orientací hlavní osy.
Příslušné paprsky se potom po průchodu krystalky a zpětném promítnutí na nebeskou
klenbu kupí po obou stranách slunečního disku, čímž vznikají světlé skvrnky
vedlejších sluncí. Jestliže se sluneční disk nalézá těsně u ideálního geometrického
obzoru, přímé sluneční paprsky procházejí v daném místě atmosférou horizontálně,
svírají pravý úhel s hlavní osou vertikálně orientovaných šestibokých hranolků a
vedlejší slunce se vzdalují od malého hala tak, že při výšce Slunce 50° nad obzorem je
jejich úhlová vzdálenost od středu slunečního disku asi 32°. Naproti tomu horní a
dolní dotykový oblouk malého hala vzniká lomem slunečních paprsků na krystalcích,
jejichž hlavní osa je orientována horizontálně.
Další halové jevy vyžadují už různé speciální orientace ledových krystalků.
Parryho oblouk patřící mezi vzácné úkazy vzniká lomem paprsků při lámavém úhlu
60° na šestibokých hranolcích ledových krystalků, jejichž hlavní osa má horizontální
polohu a současně jedna dvojice protilehlých stěn pláště leží v přesně horizontálních
rovinách. Lowitzovy oblouky naproti tomu vyžadují rotační pohyb sloupkovitých
krystalků kolem horizontálně orientovaných hlavních os.
V souvislosti s popisem a výkladem hlavních halových jevů jsme uvažovali
sluneční paprsky. Stejné úkazy však mohou být za vhodných podmínek pozorovány i
v měsíčním světle. Vzhledem k podstatně menší intenzitě svitu Měsíce ve srovnáním
se Sluncem jsou často méně výrazné, avšak pozorovatel si jich mnohdy na temné
obloze snáze všimne.

16
3 FOTOMETEORY
3.1 Duhy

Jedním z nejnápadnějších a zároveň vcelku běžných atmosférických optických
jevů jsou duhy. Vznikají při průchodu slunečních paprsků vrstvami vzduchu
obsahujícími v dostatečném počtu větší vodní kapky, obvykle kapky deště.
Tento jev, jehož vznik byl podrobně rozebrán v kapitole 2.3.3, se vytváří
v důsledku vnitřního odrazu světelných paprsků na povrchu kapek. Na obrázku 13 je
schématické znázornění průchodu světelného paprsku kapkou v případě, že dochází
k jednomu (obr. 13a) resp. dvěma (obr. 13b) vnitřním odrazům.
Obrázek názorně ukazuje také rozklad slunečního světla na spektrum barev
duhy. Princip tohoto barevného rozkladu je založen na tom, že vlnění o různých
vlnových délkách se lomí na fázovém rozhraní pod různými úhly.


b)
a)

Obr. 13: a) Lom světla s jedním odrazem uvnitř kapky deště při vzniku hlavní duhy
b) Lom světla se dvěma odrazy uvnitř kapky deště při vzniku vedlejší duhy

Jedním vnitřním odrazem přímých slunečních paprsků na vodních kapkách
vzniká duha hlavní (viz obr. 14) neboli primární, která má vnější (horní) okraj
červený a vnitřní (dolní) fialový. Úhlová šířka pásu barev bývá okolo 2° prostorového
úhlu. Úhlová vzdálenost primární duhy od protislunečního bodu činí 42°.
Protisluneční bod je bod na nebeské klenbě, ve kterém by se nacházelo Slunce,
kdybychom jej promítli v přímce Slunce – pozorovatel – nebeská klenba. Ve dne se
tedy nachází pod obzorem. S klesající výškou Slunce nad obzorem se oblouk duhy
stále více vysouvá vzhůru. V okamžiku západu Slunce za vodorovný horizont je
protisluneční bod nejvýše a nalézá se na obzoru ve vzdálenosti 180° od Slunce.
Dvojnásobným vnitřním odrazem slunečních paprsků na vodních kapkách se
vytváří duha vedlejší (viz obr. 14) neboli sekundární. Sled barev je v tomto případě
17
opačný než je tomu u duhy hlavní. Vedlejší duha se nalézá asi 8° nad duhou hlavní.
Jeden vnitřní odraz světla na kapkách navíc se u sekundární duhy projeví tím, že
úhlová šířka barevného pásu je větší než u duhy primární a činí asi 4°.
Vzácným optickým úkazem je duha terciální nazývaná též duha kolem Slunce,
kterou vytvářejí paprsky podstupující na vodních kapkách tři vnitřní odrazy. Tuto duhu
lze pozorovat asi 43°

od Slunečního kotouče na protější straně oblohy, než se nalézá
duha primární i sekundární. Do jisté míry může připomínat duhově zabarvené velké
halo.
Duhy ještě vyššího řádu vytvářené čtyřmi a více násobnými odrazy paprsků na
vodních kapkách jsou natolik slabé a vzácné úkazy, že jejich pozorování je zcela
mimořádný případ.
Na vnitřní straně hlavní duhy a na vnější straně duhy vedlejší lze poměrně často
pozorovat podružné duhové oblouky jevící se jako několikanásobné opakování slabě
vyjádřeného spektra barev. Tento jev je založen na interferenci.
Vzhled duhy úzce souvisí s velikosti vodních kapek, na kterých dochází k lomu a
odrazu slunečních paprsků. Na základě pozorování byla vypracována přehledná
tabulka v níž je stručně charakterizován vzhled duhy v závislosti na velikosti poloměru
r vodních kapek v milimetrech (viz tabulka 3).

Tabulka 3: Charakteristika vzhledu duhy v závislosti na velikosti kapek deště

r Charakteristika vzhledu duhy
0,5 – 1 mm
Široký fialový pruh, jasně patrná zelená a červená barva, větší
počet podružných duhových oblouků v nichž je nejzřetelnější
fialová a zelená barva
0,25 mm
Slabší červená barva, menší počet podružných duhových
oblouků s převládající fialovou a zelenou barvou
0,1 – 0,15 mm
Poměrně široký pás duhy téměř bez červené barvy, nažloutlé
podružné duhové oblouky
0,04 – 0,05 mm
Široký a poměrně bledý pás duhy, nejvýrazněji patrná fialová
barva
0,03 mm Bílý pruh v hlavní duze
< 0,025 mm Tzv. duha v mlze jevící se pouze jako bílý pruh








18
Obr. 14: Duha hlavní a vedlejší




















3.2 Koróny

Koróna (viz obr. 15) je optický úkaz jevící se jako soustava barevných kroužků
kolem zdroje rovnoběžných paprsků (Slunce, Měsíc, popř. velmi jasných hvězd). Sled
barev je následující: vnitřní kruh je barvy modrobílé, vnější načervenalý až nahnědlý.
Princip vzniku korón, jehož úplné vysvětlení podal v roce 1852 francouzský
fyzik E.Verdet, je podobně jako v případě duh založen na průchodu paprsků soustavou
vodních kapiček (kouřmo, mlh
Není-li splněna podm je koróna nevýrazná a
má podobu světlého, popř
Měsíce. Tato varianta je lidov
nazývána studánka. Poku
ale koróna barevná, pak první
barevný sled koróny, který se
vyznačuje zřetelným vně
kruhem červenavé až hnědavé
barvy (jehož poloměr nebývá
větší jak 5°), je nazý
aureola. Čím větší jsou kapky
zapříčiňující vznik koróny, tím
menší aureola je. V tomto
faktu spočívá diagnost
význam aureoly pro popis
situace, za které kor
vzniká.


a či oblaka) s nepříliš rozdílnými velikostmi.
ínka přibližně stejné velikosti kapek,
ípadě až mírně zbarveného kruhového pásu t
ě
d je
jším
ván

ický
óna
19
ěsně kolem
Obr 15: Koróna
3.3 Glórie

Glórie (gloriola) je jev obdobný koróně, avšak podstatně slabší intenzity. Glórie
představuje opačný sled kroužků barev kolem stínu vrženého postavou nebo
předmětem na níže ležící oblačnou vrstvu či mlhu.
Vzniká zpětným rozptylem světla na velmi četných malých vodních kapičkách.
Je-li oblak nebo mlha velmi blízko pozorovatele, může se jeho vržený stín zdát
vzpřímený a jakoby zvětšený. Takový jev se pak nazývá Brockenské strašidlo
(Brockenský přízrak)(viz obr. 16), který může, ale též nemusí být ověnčen barevnou
glóriolou. Název pochází podle pozorování na horské observatoři na hoře Brocken
v pohoří Harz (Německo), kde byl poprvé popsán. Jev podobný Brockenskému
strašidlu lze sledovat z paluby letadel
letících nízko nad mraky (viz obr. 17).
Kolem pohupujícího se stínu letadla se
objevuje jasná záře duhových kol.
Díky okolností, za kterých glórie
může vznikat, vyskytuje se nejčastěji
na horách za mlhavého počasí a za
situace, kdy je Slunce nízko nad
obzorem.














Obr. 16: Brockenský horský přízrak
Obr. 17: Koróna kolem stínu letadla








20

3.4 Irizace oblaků

oblak
polohách Slunce blízko pod obzorem, kd
jsou již ve stínu. Nejčastěji bývají poz
zejména ve Skandinávii.
Ještě zvláštnějším úkazem jsou tzv.
výškách 70 až 80 km a rozptylují sluneční zá
asi 18°. V letních měsících mohou být v n
kolem půlnoci. O jejich původu existují 2
prašných částic mimozemského původu,
částic, přičemž potřebná voda se v těchto v


Ohybem a interferencí slunečních paprsk
jev nazývaný irizace (viz obr. 18). Je
ů s různými barevnými odstíny, mezi nim
nejčastěji pozorovat u oblaků druhu Altocum
Cumulus.
Zvláštním případem intenzívně irizujících oblak
(viz obr. 19) v podobě živě barevných ploch nebo zlatav
pásů nebo protáhlých ploch. Nalézají se












nebo perleťové zbarvení okrajů
y ze
orov
no í ve
ření, ne
ašich
teo
druh
ýšká a fotochemickými reakcemi.
ů na vodních kapičkách oblaků vzniká
to duhové
iž převažuje zelená a růžová. Irizaci lze
ulus a Stratocumulus, popř. u druhu
ů jsou tzv. perleťová oblaka
ě zbarvených oblaků ve tvaru
ve výškách 20 až 30 km a vyskytují se při
mský povrch a nižší vrstvy atmosféry
ány ve vyšších zeměpisných šířkách,
ční svítící oblaky. Ty se nalézaj
ní-li Slunce pod obzorem níže než
zeměpisných šířkách pozorovány ještě
rie. Podle prvé z nich se jedná o shluky
á počítá s tím, že se skládají z ledových
ch vytvořil
21
Obr 19: Perleťová oblaka
Obr. 18: Irizace oblaků

.5 Halové jevy3
Optické úkazy vznikající v důsledku odrazu a lomu slunečního popř. měsíčního
světl
jména pak večer. Pro pozorování některého z níže uvedených halových
jevů
drobné ledové krystalky. Ačkoli se v těchto případech
nevy

a na ledových krystalcích rozptýlených ve vzduchu nazýváme souhrnně halovými
jevy.
Obecně se halové jevy pozorují jako světlé, bělavé, slabě duhově nebo mdle
perleťově zbarvené pruhy, oblouky či kola při poloze Slunce nejčastěji nízko nad
obzorem ze
je potřebný výskyt oblačnosti složené výhradně z ledových krystalků, zejména
pak oblačnosti druhu Cirrostratus nebo Cirrus popř. jejich „směs“. Někdy se ale
mohou některé z nich (malé halo, tečné oblouky, boční slunce) vyskytnout i v případě,
kdy jsou v atmosféře přítomny ledové krystalky např. v zimním období při přeháňce
sněhových vloček a ledových krystalků nebo při umělém zasněžování sjezdovek, kdy
se do vzduchu dostávají
skytují tyto, dalo by se říci pseudohalové jevy, na vysoké oblačnosti, jejich
podoba i příčiny vzniku jsou stejné.


3.5.1 Přehled nejčastějších halových jevů

Určitý přehled o nejčastějších z halových jevů můžeme získat ze schématického
obrázku 20, kde S vyznačuje polohu Slunce na zdánlivé nebeské klenbě a jednotlivé
úkazy jsou očíslovány a níže popsány konkrétněji.



Obr. 20: Schéma podob hlavních halových jevů a jejich poloha na obloze


Co se týče četnosti výskytu níže uvedených halových jevů, bylo v Holandsku
v letech 1934 – 1956 prováděno G.Dietzem důkladné sledování výskytu halových
jevů. Tabulka 4 jeho výsledky shrnuje.
22
Tabulka 4: Četnost výskytu některých halových jevů

Průměrný počet dní
s výskytem v roce
Halový jev
Malé halo 209
Vedlejší slunce malého hala 71
Horní nebo dolní dotykový oblouk malého hala 59
Halový sloup 34
Cirkumzenitální oblouk 31
Velké halo 18
Horizontální kruh nebo jeho části 13
Lowitzovy oblouky 3
Dotykové oblouky velkého hala 1
Vedlejší slunce 120° 1
Protislunce 1

čního disku. Vnitřní okraj mívá
načervenalé zabarvení, vnější pak slabě zřetelné fialové.

3.5.1.2 Velké halo

Velké halo (viz obr. 20 add 2) je slabý světelný kruh (opět může být i neúplný)
kolem Slunce nebo Měsíce ve vzdálenosti 46° od středu disku. Vyskytuje se přibližně
3x méně často než malé halo, vzhledem k němuž je také méně jasné.

3.5.1.3 Horizontální kruh

Horizontální kruh (viz obr. 20 add 3) je kružnice vedená po nebeské klenbě
rovnoběžně s ideálním geometrickým obzorem ve stejné úhlové výšce nad obzorem,
jako se právě nalézá Slunce. Jeho části mohou opět být opticky patrné jako části
bělavého pruhu.

3.5.1.4 Halový sloup

H jevy.
rochází vertikálně Sluncem (popř. pouze jeho horní nebo dolní část) a v případě, že
olu
3.5.1.1 Malé halo

Malé halo (viz obr. 20 add 1) patří mezi nejběžněji se vyskytující halové jevy.
Jeví se jako bělavá nebo duhově zabarvená úplná nebo též neúplná k