Zjawiska optyczne - obserwacje w terenie

Kontynuując temat z poprzedniego wpisu, w którym omawiałam pogodę i możliwości samodzielnego jej prognozowania, tym razem zajmę się zjawiskami optycznymi, które możemy obserwować na niebie. 

Zjawisk tych jest dużo, ale o opiszę te, które zdarzają się dość często. W pewnym stopniu można je też przewidzieć - jeśli potrafimy rozpoznać okoliczności, w jakich występują (np. nadejście ciepłego frontu z wysokimi chmurami warstwowymi).

Zjawiska optyczne powstają pod wpływem światła: słonecznego lub księżycowego. Te spowodowane przez promienie Księżyca są słabsze, bledsze lub zupełnie bezbarwne. 

Żeby zjawiska optyczne rozróżnić trzeba dostrzec wystarczająco dużo szczegółów. Najważniejsze są zwykle położenie (po stronie słonecznej lub przeciwsłonecznej) i wielkość kątowa zjawiska. Niektóre kąty można łatwo ocenić za pomocą dłoni wyciągniętej ręki. Jeśli mamy do czynienia ze zjawiskiem w kształcie okręgu będzie to kąt opisania - można sobie wyobrazić że okrąg jest pomiędzy ramionami kąta.

Wieniec

Wieniec otacza tarczę Słońca lub Księżyca, która jest widoczna przez cienką warstwę chmur. Występuje najczęściej w chmurach altocumulus i altostratus, ale zdarza się i w innych. Składa się z aureoli wewnętrznej, poza którą znajdują się jeden lub więcej barwnych pierścieni. Aureola i pierścienie powstają na skutek dyfrakcji promieni światła w kropelkach wody w chmurach, tzn. promienie światła, napotkawszy drobne kropelki, zamiast przez nie przejść uginają się na nich.

Jeśli kropelki w chmurze są różnej wielkości widać tylko aureolę, bez pierścieni. Wewnętrzna aureola jest niebieskawo-biała (rzadziej niebieska lub fioletowa) i ma brązowo-czerwonawe obrzeża. Bezpośrednio otacza tarczę 'Słońca lub Księżyca. Jeśli kropelki są jednakowe, widać jeden lub więcej pierścieni widma, z kolorem fioletowym w środku i czerwonym na zewnątrz. Długość promienia pierścieni zależy od wielkości kropel - im mniejsze, tym będzie dłuższy (a więc większy wieniec).Kropelki w chmurze mogą być rozmieszczone różnie, dlatego wieniec może mieć różne kształty i zabarwienie oraz nieregularne zarysy (widać to na zdjęciach). 

Barwy widma optycznego widoczne na zewnętrznej części wieńca. Dolina Ivalojoki, Finlandia

Wieniec wokół Księżyca (powiększony ze zdjęcia poniżej)

Księżycowy wieniec widoczny w cirrostratusie ponad miastem Vancouver w Kanadzie

Zdarzało mi się również obserwować wieniec (księżycowy) na niskich, ale cienkich chmurach kłębiastych.

Bere Island, Irlandia

Park Narodowy Lemmenjoki, Finlandia

Gloria

Gloria składa się z serii barwnych pierścieni, pojawiających się w punkcie przeciwsłonecznym, kiedy światło słoneczne pada na chmurę lub brzeg mgły. Często widać ją z samolotów, ale możemy ją też podziwiać z górskich szczytów, wznoszących się ponad chmurą lub warstwą mgły. Obserwuje się wtedy glorię wokół swojego cienia, ale nie wokół cieni towarzyszy. Podobnie położenie glorii obserwowanej z samolotu zależy od miejsca, gdzie siedzi obserwator. Z większych odległości cień staje się mniej wyrazisty i widać wtedy samą glorię.

Barwy glorii są podobne do barw wieńca, przy czym fiolet znajduje się wewnątrz, a czerwień na zewnątrz. Tu także mogą pojawiać się liczne pierścienie i podobnie jak w innych zjawiskach związanych z dyfrakcją, im mniejsze kropelki chmury, tym większy promień pierścieni.

Barwnej glorii nie należy mylić z bezbarwną aureolą, która również pojawia się wokół cienia głowy obserwatora.

Gloria w paśmie Pikuja, chmura jest tu daleko i cień obserwatora jest bardzo mały. Bieszczady Ukraińskie. Fot. Szekspir

Widmo Brockenu

W pewnych warunkach, gdy chmura znajduje się bardzo blisko obserwatora, może pojawić się złudzenie optyczne. Cień, zamiast padać na mniej lub bardziej oddaloną powierzchnię, pojawia się w nieokreślonej odległości w obrębie ławicy chmury lub mgły, a różnice jej gęstości powodują, że cienie przybliżają się lub oddalają od obserwatora. W takiej sytuacji mózg ma problemy z postrzeganiem głębi. Odległość cieni jest wyolbrzymiona, a postacie wydają się być powiększone. Możemy nawet mieć wrażenie, że cień się porusza, podczas gdy to chmury się poruszają. 

Właśnie to złudzenie to nosi nazwę widma Brockenu (nie zaś sama gloria z cieniem obserwatora). Nazwa pogodzi od szczytu w Górach Harz w Niemczech, gdzie po raz pierwszy odnotowano ten fenomen. Istnieje tatrzańska legenda, wymyślona przez Jana Alfreda Szczepańskiego w 1925 roku, mówiąca jakoby człowiek, który zobaczył widmo Brockenu, umrze w górach. Ujrzenie zjawiska po raz trzeci „odczynia urok” i szczęśliwiec może już czuć się bezpieczny w górach.

Co ciekawe, różne źródła podają różne objaśnienia odnośnie tego fenomenu, przy czym większość zdaje się zrównywać widmo Brockenu z glorią. Tam gdzie opisuje się widmo wspomina się jednak o tym,  że chmura lub mgła znajdują się poniżej obserwatora, a jego cień pada w dół. Przez to jest on dłuższy, zwłaszcza ma dłuższe nogi.

Inne źródła mówią z kolei, że nie jest możliwe wykonanie zdjęcia widma Brockenu, właśnie dlatego, że jest ono złudzeniem i właśnie tej koncepcji jestem skłonna dać wiarę. Na zdjęciach widać tylko glorię wokół cienia głowy obserwatora. Od siebie dodam, że widać również resztę cienia, poza glorią, widać też tą część cienia towarzysza, która znajduje się poza glorią.

Spotkałam się też z tezą, jakoby za widmo Brockenu wystarczał sam cień obserwatora na "ekranie" z chmury lub mgły - bez glorii.

Chmura sięga do ziemi, w glorii i poza nią widać więc cały cień obserwatora, któremu jawił się(?) jako większy - jako widmo Brockenu. Pasmo Pikuja, Bieszczady Ukraińskie. Fot. Szekspir

Aureola

W polskim internecie można spotkać się z informacją jakoby aureola była inną nazwą wieńca, jednak z tego co czytałam jest to inne zjawisko, które występuje w punkcie przeciwsłonecznym, wokół cienia głowy obserwatora. Podobnie jak w przypadku glorii, obserwator widzi tylko światło otaczające jego własną głowę, a nie towarzyszy. Istnieją dwa różne mechanizmy powstawania aureoli. Najczęściej światło Słońca pada na pokrytą rosą trawę. Wiele gatunków traw ma krótkie źdźbła, na których rosa osiada ponad powierzchnią liści. Krople rosy i liście działają jak lustra, odbijające światło w kierunku jego źródła, czyli Słońca, tworząc jasny krąg. W drugim przypadku nie potrzeba rosy, wystarczy że powierzchnia złożona z wielu pojedynczych elementów odbija światło sama. Cień każdego elementu jest pogrążony w cieniu, dlatego każdy z nich wydaje się bardzo jasny.

Niestety nie mam zdjęcia tego zjawiska w swoim archiwum.

Iryzacja

Iryzacja należy do najczęstszych zjawisk optycznych. Ma postać barwnych plam w kolorach tęczy na obrzeżach cienkich chmur. Pojawia się zwłaszcza na altocumulusach, altostratusach i cirrocumulusach. Kolory iryzacji są zwykle delikatne. Podobnie jak wieniec, iryzacja jest związana ze zjawiskiem dyfrakcji, czyli uginania się promieni słonecznych, pojawia się jednak w różnych odległościach od Słońca. Występuje zawsze po tej samej stronie co Słońce. Iryzacja wywoływana jest też przez światło Księżyca.

Iryzacja w altocumulusach zaobserwowana podczas przerwy w pisaniu niniejszego tekstu

Blada iryzacja w tym samym czasie po drugiej stronie słońca, również altocumulus (na środku zdjęcia)

Tęcza

Jednym z najpiękniejszych, a zarazem najczęściej spotykanych zjawisk jest tęcza. Odpowiednie warunki do jej powstania to pogoda z przelotnym deszczem i słońcem na przemian. Najczęściej tęcze pojawiają się po południu, kiedy mamy do czynienia z przelotnymi opadami konwekcyjnymi (z chmur kłębiastych). Tęcza powstaje, gdy światło słoneczne pada na krople deszczu, odbija się w kierunku obserwatora i rozszczepia na widmo optyczne. Ponieważ światło odbija się wewnątrz kropel tęcza pojawia się po przeciwnej stronie niż Słońce. Ukazuje się część koła ze środkiem w punkcie przeciwsłonecznym. 

Natężenie barw zależy od wielkości kropel. Jeśli są duże, barwy są intensywne, a najbardziej jaskrawa jest czerwień. Jeśli są małe, barwy są bledsze, a zewnętrzny kolor przypomina bardziej pomarańcz niż czerwień. Widoczność kolorów zależy też od wysokości Słońca. Przed zachodem światło jest bardziej czerwone, a rozporszeniu ulegają fale o mniejszej długości. O tej porze można zaobserwować tęczę żółto-pomarańczowo-czerwoną, a nawet tylko czerwoną.

Wszystkie kolory tęczy nad Torneträsk, Szwecja

W doskonałych warunkach tęcza rozciąga się na całej przestrzeni nieba, a jej końce sięgają ziemi. To jak wysoko sięga tęcza zależy od wysokości Słońca - im jest wyżej tym niższa tęcza. Doskonałe półkole powstaje gdy Słońce jest na horyzoncie. Jest możliwe zobaczenie całego koła - z samolotu tub bardzo rzadko z wysokiego szczytu. Najczęściej widać tylko fragment, bo tylko część padającego deszczu jest oświetlona lub deszcz pada tylko na części nieba. 

Pojedyncza tęcza w pobliżu Björkliden, Szwecja

Najczęściej spotykana jest tęcza zwana łukiem pierwotnym  o promieniu 42°. Czerwień zawsze znajduje się na zewnątrz, a fiolet wewnątrz łuku. Ten rodzaj łuku pojawia się kiedy światło odbija się tylko raz od ściany każdej kropli. Dość często zdarza się jednak, że przed powrotem do oka obserwatora światło odbija się w tej samej kropli dwukrotnie. Wtedy pojawia się wtórny łuk o promieniu 51°, a kolejność barw jest w nim odwrócona: czerwony wewnątrz, fiolet na zewnątrz. Łuk wtórny zwykle jest bledszy.

Fragment nieba pomiędzy dwoma łukami jest ciemniejszy, bo krople w obrębie tego pasma odbijają światło w kierunku przeciwnym niż obserwator. Nosi on nazwę Pasma Alexandra.  

Chwilę później widać już oba łuki, pierwotny i wtórny i ciemny Pas Alexandra między nimi

Tęcza nad Torneträsk była zdecydowanie najpiękniejszą, jaką widziałam w życiu

W odpowiednich warunkach można dostrzec w obrębie pierwotnego łuku jeden lub więcej łuków dodatkowych (noszą nazwę nadliczbowych lub interferencyjnych), które pojawiają się, kiedy światło przechodzi przez krople deszczu drogą o nieco innej długości, dając barwy interferencyjne (jak na plamie ropy, światło opuszcza kroplę w różnych fazach). Łuki wtórne zazwyczaj mają mniej intensywne kolory, wydają się tylko różowo-fioletowe albo zielonkawe, a tylko w bardzo rzadkich przypadkach są tak jaskrawe jak w głównym łuku (jak na zdjęciu poniżej). 

Łuk pierwotny z łukiem dodatkowym oraz łuk wtórny - moja druga najpiękniejsza tęcza, która ukazała mi się na pożegnanie Great Divide Basin w Wyoming na Continental Divide Trail

Tęcza jest też widoczna tam gdzie światło odbija się w kropelkach wody innych niż deszczowe - np. w wodospadach.

Tęcza w kroplach wody podrywanej przez silny wiatr z wodospadu w Irlandii

Tęcza w kroplach wody spadających na dno kanionu Slåttdalskrevan w Parku Narodowym Skuleskogen. Höga Kusten, Szwecja, luty 2021

Zdarza się też, aczkolwiek bardzo rzadko, tęcza "księżycowa", kiedy krople deszczu odbijają silne światło księżyca. Kolory takiej tęczy są bardzo blade, ale identyczne jak te powstające w dzień.

Istnieje również tęcza biała, która powstaje w bardzo drobnych kroplach mżawki lub mgły, w których światło w ogóle się nie odbija i nie załamuje, ale ugina. Znikają wtedy barwy. Biała tęcza podobnie jak łuk pierwotny zwykłej tęczy ma promień 42°. 

Halo

Halo to cały szereg różnych zjawisk, które zachodzą w kryształkach lodu wysokich chmur. Składają się na nie kręgi, łuki i plamy światła. 

Wielobarwne pierścienie halo można dostrzec dookoła Słońca lub Księżyca w cirrostratusach i sporadycznie w cieńszych altostratusach. Jest ono efektem rozszczepiania i załamywania się  promieni słonecznych na kryształkach lodu. Najczęściej spotykaną postacią halo jest pierścień o promieniu 22° (patrz rysunek na początku). Powstaje gdy światło przechodzi przez dwie nieprzylegające do siebie ścianki sześciobocznego kryształu, ustawione pod kątem 60°. Ponieważ kryształki są różnie ukierunkowane, krąg bywa niepełny lub ma zróżnicowane natężenie.

Czasem można zobaczyć drugi pierścień halo o promieniu 46°. Rzadko widuje się go w całości, bo zajmuje wielki obszar nieba. Jest nieco bledsze, a powstaje gdy światło przechodzi przez podstawę i ścianę sześciobocznego kryształu pod kątem 90°.

Posiadam wyłącznie zdjęcia 22-stopniowych pierścieni halo.

Halo w diamentowym pyle. Vindelfjällen, Szwecja, luty 2021

Łuk halo w diamentowym pyle - bardzo mroźny poranek i opad słupków lodowych. Ammarnäs, Szwecja, luty 2021

Halo nad rozlewiskiem rzeki Jutuaa w pobliżu Inari, Finlandia

Halo nad górną Ivalojoki, Finlandia

Halo wokół Księżyca nad Ivalojoki w Finlandii, widać tylko górną część łuku

To samo halo wokół Księżyca z widoczną dolną połową

Słabo widoczny pierścień małego halo. Ostatni dzień na Pacific Crest Trail. Tutaj ostatni raz widziałam słońce - wędrówkę zakończyłam po ciemku. Piękne pożegnanie!

Słońce poboczne

Słońce poboczne (na zdjęciu poniżej), czyli parhelion to jasna plama światła, która ukazuje się po jednej lub rzadziej obu stronach Słońca. To najczęstsze po małym halo zjawisko optyczne. Położenie słońca pobocznego zależy od wysokości Słońca - im Słońce jest wyżej tym dalej od pierścienia halo znajduje się słońce poboczne. Jeśli jest nisko, słońca poboczne nakładają się na halo. 

Słońce poboczne powstaje kiedy światło załamuje się w normalnych sześciokątnych kryształkach lodu w postaci płytek, jeżeli ich płaska powierzchnia leży poziomo. Zazwyczaj dzieje się tak kiedy opadają na ziemię. Słońca poboczne zawierają wszystkie barwy widma, które są dość jaskrawe. Zdarza się, że widać je bez halo. Najjaśniejsze słońca poboczne mają jakby "ogon", rozciągający się na tej samej linii co Słońce, ale w przeciwnym kierunku. Powstają wskutek padania światła na kryształki lodu pod różnym kątem i w różnej odległości od Słońca. Wachlarze światła zachodzą wtedy na siebie, a barwy znikają z wyjątkiem zewnętrznego czerwonego obrzeża halo. 

Taki ogon jest bardzo podobny do fragmentu poziomego koła horyzontalnego:

Poziome koło horyzontalne

To z kolei biały łuk, który biegnie wokół nieba równolegle do horyzontu. Jest on wynikiem odbicia - płaskie kryształy, które powodują słońca poboczne, opadają w powietrzu z płaską powierzchnią równoległą do gruntu, a krótszą ścianką prostopadłą. To od tych krótszych ścianek odbijają się promienie Słońca tworząc koło horyzontalne. Rzadko widać je w całości (poza obszarami polarnymi i kontynentalnymi).

Ponieważ w tym przypadku barwy słońca pobocznego nie znikły, myślę, że zaobserwowałam właśnie fragment poziomego koła horyzontalnego.

Widoczne jakiś czas później niż na poprzednim zdjęciu po prawej stronie Słońca jasne słońce poboczne z częścią poziomego koła horyzontalnego. Ostatni dzień na Pacific Crest Trail

Z pozostałych zjawisk, których zdjęć nie posiadam, warto zwrócić uwagę na:

Łuk zenitalny: jasny łuk, którego środek znajduje się w zenicie, dokładnie nad głową obserwatora. Pojawia się tylko przy małej wysokości Słońca (5-30°). Powstaje w tych samych kryształkach lodu co duży łuk halo.

Łuk horyzontalny: jeszcze bardziej intensywny łuk biegnący równolegle do horyzontu, ściśle związany z łukiem zenitalnym, ale widać go tylko kiedy wysokość Słońca przekracza 58° (58-80°), dlatego że leży poniżej najniższego punktu pierścienia dużego halo (nie można go zobaczyć w dużych szerokościach geograficznych - blisko równika). 

Górny i dolny łuk styczny: powyżej i poniżej dużego pierścienia halo.

Łuki Parry'ego: jasne łuki powyżej i poniżej małego pierścienia halo.

Zdarzają się też, bardzo rzadko, pierścienie halo o nietypowej wielkości 9°, 18°, 20° i 35°.

Miraż

Zupełnie innego rodzaju zjawiskiem jest miraż, który powstaje, kiedy na jakimś obszarze występuje duży pionowy gradient temperatury (różnica w pionie). Powietrze o różnej temperaturze ma różną gęstość, a jej zmiany powodują zmiany wielkości ugięcia światła. W mirażach to ugięcie wywołuje zniekształcenie obrazu. Miraż występuje pod dwiema postaciami: mirażu dolnego, w którym obiekty wydają się być położone niżej i mirażu górnego, w którym wydają się być wyżej.

Miraż na styku mroźnego powietrza i ciepłej wody Jeziora Wener. Szwecja, luty 2021

Zjawisko to występuje także w normalnych warunkach, kiedy gęstość powietrza maleje wraz z wysokością. Np. o wschodzie i zachodzie Słońca są uginane w atmosferze w dół, w kierunku Ziemi i dlatego Słońce jest jeszcze widoczne, podczas gdy znajduje się już poniżej horyzontu.