Színpompás égi fények

avagy kis légköroptikai lexikon

A Természet Világa 2002. évi cikkpályázatán 2. díjat nyert cikk
(a szerkesztőség engedélyével)

Létünk egyik legnagyobb csodája, hogy az elektromágneses rezgések egy részének érzékelése képes tudatunkban elképesztően kellemes érzések létre hozására: egy-egy pazar “látvány” csodálatos örömérzést kelt bennünk, ugyanakkor bizonyos eloszlásban beérkező hatások vészt jóslóan nyomasztók is lehetnek… Legtöbbünk számára jól ismert, hogy a “látás” információja életben maradásunk, fajunk fennmaradásának egyik záloga! Ezen felül, hallatlanul bonyolulttudatunk képes árnyaltan értékelni a felfogott képeket, messze túlmenően a létfontosságú információk kiértékelésén felül: “szép”-nek találunk egyes kombinációkat, másokat “csúnyá”-nak. Egyes részleteket “felesleges”-nek tekintünk, másokat “fontos”-nak. Némiképp lelki világunk is tükröződik a látás feldolgozásának eredményében! Fantasztikusan érdekes maga a látás mechanizmusa, a szem és a látórendszer fizikája, a térlátás, a színlátás, és a mozgásélmény kialakulása. Ezeket e cikkben nem elemezzük – de akit az itt összefoglalt jelenségkör mélyebben is érdekel, azok számára a továbbiakra nézve kiemelten ajánljuk ezen témák részletesebb megértését is (ld. a referenciák között kiemelve)!

A “fény” csupán kb. 1/60-ad része a teljes elektromágneses spektrumnak. E ponton teljesen mindegy, hogy mit is nevezünk “elektromágneses sugárzásnak”. Egy Naprendszerünktől távoli bolygón élő idegen lény könnyen lehet, hogy egészen más modelleket alkotott tudatában a környező világból feléje érkező információkra, objektumokra… Nem fotonokról beszél, a Maxwell-egyenletekhez még csak hasonlót sem alkotott. De ha ide érkezik bolygónkra, és az embereket, a társadalmat kezdi tanulmányozni, hamar rá fog jönni, hogy az információ hordozásának az egyik (talán legfontosabb) tartománya az a valami, amiből kívülről, a domináns égitestről, a Napról legnagyobb mennyiségben ide, életterünkbe, a Föld felszínére érkezik: az, amit az emberiség FÉNY-nek nevez. A modell-rendszerünkben (fizikánkban) hol hullámként, hol részecskeként írjuk le. Legegyszerűbb, hétköznapi tapasztalat során előforduló természetes fényjelenségek, források és effektusok legnagyobb részének értelmezéséhez elegendő a hullámelmélet alkalmazása. A továbbiakra nézve számunkra a fény (mint hullám) alábbi tulajdonságai lesznek fontosak:

  1. iránya – ez a képzeletbeli színusz alakú hullám zéró fázisú pontjainak össze- kötésével kirajzolódó egyenes iránya (persze a két lehetséges irány közül az egyik)
  2. hullámhossza – ez a tulajdonság mint “szín” jelenik meg a számunkra
  3. intenzitása – fényerősség, ez a tulajdonság a hullám maximális kitérésével kapcsolatos (az ún. amplitúdó négyzetével arányos)
  4. polarizációs síkja – ez nem jelenik meg a látásunk számára, csak segédeszközökkel (ez nem más, mint az elképzelt síkbeli színuszhullám síkja)

  5.  

     
     
     

A hullámtan által feltárt alábbi jelenségek történhetnek a fénnyel terjedése közben: elnyelődés, kibocsátódás, visszaverődés, szóródás, törés, elhajlás, interferencia
 
Ez eddig igen egyszerűnek, és “hidegnek”, “száraznak” tűnik… Azonban az összes bámulatba ejtő látvány, aminek földi életünk során tanúi lehetünk, ezekből áll össze! Tetten érhetjük: milyen csodálatos is a fizika! Ha megértjük a világot, attól még nem veszítjük el szépségét.

Légköri optikai jelenségek sorát szeretnénk röviden áttekinteni, és a számtalan, sokszor egy-egy ember egész élete során nem látható ritkaságúakat, valamint a szinte hétköznapian gyakoriakat egyaránt valamiféle egységes rendszerbe foglalni. Ebben számunkra az adott jelenségek létrejöttét okozó fizikai hatás lehet a rendező elv. Bár, mint látni fogjuk némelyiküknél több fizikai alapjelenség együttesen fordul elő, de megpróbáljuk az adott jelenség legfőbb jellegzetességének kialakítása szempontjából domináns hatást alapul venni. Némelyikük a legnevesebb fizikusok érdeklődését is kivívta, és bizony néhány esetben az általuk adott értelmezés kívánnivalót hagyott maga után… Bármilyen furcsa, néhány jelenség egyes részletei még napjainkra sem tisztázódtak, ami arra is példa, hogy még hétköznapi - klasszikus fizikával magyarázható - jelenségek sincsenek teljesen leírva! Cikkünk során csak a kevésbé triviális esetek magyarázatát adjuk meg.

VISSZAVERŐDÉSI JELENSÉGEK

Talán ezek a legkevésbé különlegesek. Igazán nem is az égboltra tekintve látjuk őket, hanem ezek a földfelszínen, sokszor közvetlen környezetünkben. Néhány képviselőjüket a különböző nyelvekben mégis nagyon kedves megnevezésekkel illetik:

  1. ARANYHÍD (ezüsthíd)

  2.  

     

    A szél által fodrozott, a látóirányunkkal különböző szögeket bezáró kis víz-felületelemekről visszaverődő napfény alkalmanként (helytől és időtől függően) változó alakzatot, mintázatot rajzoló fénylő fényfüzér nagyobb összefüggő vízfelületek felett. Leglátványosabb formája, amikor a Nap igen alacsonyan van, ilyenkor a leghosszabb – valóban “híd”-szerű megjelenése van, mintha az észlelőt kötné össze a Nappal (1. ábra)! Ugyanez a Holddal inkább csak telihold idején látványos – ne feledjük, a Holdról visszaverődő napfény jóval gyengébb megvilá- gítást ad (még a telihold intenzitása is csak kb. milliomod része a Napénak).

  3. FÉNYJÁTÉK (nem standard elnevezés)

  4.  

     

    Szintén a mozgó-rezgő folyadékfelületeken visszaverődő természetes, vagy mesterséges fényforrások fényének torzult tükörképei által keltett furcsa, pillanatról pillanatra változó alakzatok. Folyóparti házak oldalán, uszodákban gyakran megfigyelhető… Sőt otthon, a napra kitett, folyamatosan ütögetett lavór vízzel is keltehetünk ilyen hatást szobánk falán, ill. mennyezetén. Akár a kivetülő fényjátékot, akár közvetlenül a vízfelszínen kialakuló rajzolatot, meg is örökíthetjük fényképezőgéppel (ld. pl. 2. ábra)

  5. DICSFÉNY (fénykör, heiligenschein, aureola)

  6.  

     

    Hajnali párás gyepen figyelhető meg. A hátunk mögül tűző napfényben fejünk árnyéka (a Nappal átellenes, ú.n. antiszoláris pont) körül a szentképeken láthatóakhoz hasonló “dicsfény” tündököl. Benvenuto Celliniről feljegyezték például, hogy amikor először tapasztalta a jelenséget, a saját géniuszának valamiféle földöntúli jelének gondolta. Mielőtt mi magunk is (részesévé válva e jelenségnek) megörülnénk e kitüntető megkülönböztetettségnek, helyezzünk magunk mellé egy fényképezőgépet, és próbáljuk lefényképezni a fejünk körüli fénylést… Azt fogjuk tapasztalni, hogy a fotón a fényképező berendezés körül fog fényesebben ragyogni a gyep, nem a fejünk körül. Egyszóval minden megfigyelő a “saját” dicsfényét fogja észlelni. Hasonlóan a később tárgyalandó szivárványhoz!

    Teleobjektívet használva, a fotón szinte egyenként is láthatjuk a cseppek fénylését. Ha kellően ügyesek vagyunk, egy alkalmas, egyenletes füves térséget nagyon finom vízpermettel beszórva, magunk is előidézhetjük a jelenséget.

    E jelenség kísérlettel is illusztrálható: gömb alakú lombikba vizet töltünk, és egy fényvisszaverő ernyő elé tesszük. Egy megvilágító fényforrás felől nézve, amíg viszonylag távol lesz a háttérben lévő visszaverő felület, különösebbet nem veszünk észre (3/a. ábra). Azonban amint igen közel hozzuk a háttérfelületet (hogy szinte hozzáérjen a lombikhoz), fényesebb lesz, mint a háttér ernyő (3/b. ábra). A párás füvön mindez a jól visszaverő növényi leveleken megtapadt, közel gömbszerű vízcseppekkel történik meg. Természetesen ez csak a fényforrás irányából látható, nagyobb szögben nem, ezért van csak közvetlenül a megfigyelő látóiránya körül (4/a és b. ábra).

    Az egyik legkorábbi értelmező Lommel magyarázata szerint a fényforrás (Nap) képének koncentrált, a gömb alakú vízcseppek által, az alattuk lévő növényi levelekre leképezett fényes foltjának a megfigyelő irányába visszavert, “nagyított” képe az ilyenkor, amit látunk. A kis méretű vízcseppek lehetnek közel gömb alakúak, lévén picinyke, rövid növényi “szőrök” vannak a leveleken, ezekre támaszkodhatnak a vízcseppek (5. ábra). A szőrök méretének nagyságrendjébe tartozó átmérőjű cseppek körülbelül épp a szőrök biztosította távolságba képezik le a Napot. A dicsfény 1-1,5 fokos sugarú irányából még jól teljesülnek a koncentrált kép visszaverésének feltételei. Amennyiben nagyon picik a cseppek, vagy túl hosszúak a szőrök – nem jön létre a jelenség. Ha túl nagyok a cseppek, akkor nem gömb alakúak lesznek, hanem szétterülnek a leveleken, hátul sík felületük lesz. Bizonyos feltételek mellett még ilyenkor is létrejöhet hasonló jelenség.

  7. ELLENFÉNY (oppozíciós effektus)

  8.  

     
     
     

Hasonló a dicsfényhez, de száraz, porózus felületen található kristályokon (ill. központi árnyék hiányában) létrejövő visszaverési jelenség (ld. 6. ábra).
 
SZÓRÁSI JELENSÉGEK

Ezek között találjuk a leggyakoribb, leghétköznapibb légköroptikai jelenségeket. Ezen pont alatt felsorolt valamennyi jelenség közös fizikai alapja az egyik legelső (1904) Nobel-díjas fizikusról elnevezett “Rayleigh”-féle fényszóródás.

  1. AZ ÉG SZÍNE (vörös napkelte-napnyugta, “blue moon” jelenség)

  2.  

     

    Érdekesség, hogy az ég kék színének magyarázatát Newton még nem tudta megoldani. J. Tyndall (1820-1893) ír fizikus laboratóriumi kísérletei hoztak közel a helyes értelmezéshez. Amennyiben a fény terjedési közegét alkotó részecskék átlagos mérete a fény hullám- hosszának nagyságrendjébe esik, az eredeti terjedési iránytól eltérő irányokba szóródó fény intenzitása a hullámhossz negyedik hatványával lesz arányos – azaz minél rövidebb hullámhosszú fényről van szó, annál jobban csökken az eredeti irányba továbbjutó fény intenzitása. A szórt fény intenzitásának a fényhullám eredeti irányával bezárt szög függvényében történő eloszlását a 7. ábra  mutatja. Ez a piskóta alakzat annyit jelent szavakkal, hogy a szórt fény irányfüggő, és van egy jellegzetes eloszlása (a legintenzívebb a fény terjedési iránya közelében, és azzal átellenes irányban – visszaszórás, és leggyengébb arra merőlegesen). Ez szigorúan tekintve csak a kb. 0,06 mm átmérőjűnél kisebb részecskékre igaz. A földi légkört alkotó molekulák (N2, O2, CO2, H2O) mérete 0,2 nm körül van, így elvileg ibolyáskék színű az ég. Nagyon tiszta levegőjű helyeken, magashegységekben néha látni ilyet (8. ábra). Ne feledjük: a legtöbb optikai jelenségért, és a földi élet életben maradásáért felelős légkör tömegének 50%-a a felszín feletti 5 km-es magasság alatt található! Ugyanez miatt a horizont közelében látszó (kelő-nyugvó) Nap és Hold színe, a sárgásfehér színkeverékből más irányokba kiszóródó nagymennyiségű kék hiánya miatt vöröses. Természetesen, minél magasabbra emelkednek az égen, egyre kevesebb tömegű levegőn kell áthaladnia fényüknek (ld. 9. ábra), így egyre több kék maradhat “benn” az összetett sugárzás-keverékben. Azaz: egyre sárgás-fehérebb. Természetesen a Föld felszínéről nézve még a zenitben álló Nap és Hold színe is eltér a világűr légritka terében megfigyelhető színtől…

    Persze az ég színét nem csupán a felsorolt molekulákon szóródó napfény okozza! Számtalan, nagy molekulájú szennyeződés (ipari, közlekedési égéstermékek), valamint óhatatlanul mindig a légkörbe kerülő természetes (vulkánkitörésekkel, erős szelekkel magasra kerülő finom porszemcsék) és mesterséges szennyeződések alkotta ú.n. aeroszolok (lebegő szilárd és folyékony halmazállapotú szemcsék) szintén szóró hatásúak. Jellemző méretük 1 mm körüli, de sokkal nagyobbak is előfordulnak – így ezekre már nem a Rayleigh-szóródás törvényszerűsége érvényesül. Kísérletileg már Tyndall is kimutatta, hogy egyre nagyobb ködrészecskék során a szórt fény kékes színe megszűnik. A pontos kép igen bonyolult: a 10. ábra  szerinti (ú.n. Mie szórás). A szórt fény aránya növekvő részecskemérettel nő, majd újra csökken. Minthogy az első maximum helye kb. a hullámhosszal egyenlő sugarú részecskénél van, ezért a 11. ábrá  -ra tekintve nyilvánvaló, hogy a kb. 0,5 mm-nél kicsit nagyobb sugarú részecskékre már jobban szóródik az 500 nm –es tartomány, míg a kb. 0,6 mm-nél már a színkép mélyvörös része. Ilyenkor a kelő és nyugvó Nap lenne kékes, és az égbolt vöröses. Talán a korai kapitalizmus idején hirtelen megnövekedett légszennyezés miatt néha megfigyelt kék színű kelő telihold nyomán terjedt el a “blue moon” kifejezés.

    Így nap mint nap, a nappali égbolt színe a Föld különböző pontjain megfigyelve az észlelőhely környezetének pillanatnyi légköri összetételétől függ. Irány szerint és időben is változhat. Mint az előbbiekben láttuk, a nagyobb szennyeződések sárgábbra színezik az eget. Szokásos nyári tapasztalat, hogy a meleg levegőben a levegőben lebegő nagymennyiségű vízpára, és a hozzátapadó finom por miatt fakó, színtelen is lehet az ég. Könnyű egy kvalitatív becslést tenni a környező néhány kilométeres térségben lebegő aeroszol mennyiségre, ha kinyújtott kezünk mutatóujjával kitakarjuk a Napot: tiszta levegő esetén már ujjunk pereme irányában is világoskék színeződésű az ég, viszont minél több aeroszol lebeg fenn, annál nagyobb szögkiterjedésű fényes “burok” övezi a Napot. Szélsőséges esetben egész opálos, tejszerű is tud lenni a kialakuló szín (az ú.n. fotokémiai szmog kialakulásával, pl. nagyvárosokban).

  3. AZ ÉGBOLT POLARIZÁCIÓJA

  4.  

     

    További izgalmas tény, hogy a szórt fény iránytól függően, részlegesen lineárisan polarizált is. Ez Rayleigh szóráselméletével is magyarázható (izotróp részecskéken szóródó fény úgy polarizálódik, hogy a tekintetbe vett sugár terjedési irányára merőlegesen szóródó fény szinte tökéletesen, a többi irányban részlegesen polarizálódik. A polarizáció síkja mindig olyan, amit a fény terjedési iránya, és a vizsgált irány egyenese feszítenek ki. Az égbolt szórt fényének polarizáltsági foka (mértéke, azaz a polarizálódott fény intenzitásának aránya az adott irányból érkező teljes fényintenzitáshoz képest) így várhatóan a legnagyobb a Naptól 90o szögtávolságra lévő irányokban, azoktól távolodva mind a Nap felé, mind az átellenes (anti-szoláris pont) irányba nulláig csökken. A valóságban ezek az ú.n. neutrális pontok 15-20 fokkal eltérő irányban vannak. Mindezt egy egyszerű, a fotózásban is használatos polárszűrővel magunk is leellenőrizhetjük, sőt ki is használhatjuk!

  5. LÁTÁSTÁVOLÁG

  6.  

     

    Igazából nem “jelenség”, mégis a légköroptika egyik legfontosabb gyakorlati kérdése a vízszintes látástávolság kialakulásának kérdése. Az itt tárgyalt jelenségek sorába sorolhatjuk a rendkívüli horizontális látástávolságokat. Minthogy ezt is elsősorban a szórás befolyásolja (és kevésbé az elnyelődés), ezért e fejezetnél említendő! A legfőbb értékmérője az ú.n. kontraszt: a megfigyelni kívánt tárgy felületéről érkező fénysűrűség (LF) és a háttér fénysűrűségének (LH) alábbi hányadosával definiálhatjuk:

    ; Például, ha a tárgy felületi fényessége azonos a háttérrel, akkor értelemszerűen meg sem tudjuk különböztetni, azaz beleolvad a háttérbe! Ekkor a C=0 Az emberi szem számára C észlelhetőségi küszöbértéke 0,02, ennél nagyobb kontraszt szükséges a tárgy felismeréséhez, így az ehhez a határértékhez tartozó tárgytávolságot nevezhetjük a mindenkori látástávolságnak. Meg kell említenünk, hogy a pontosság kedvéért, a kontraszt minden színre külön értelmezendő, azaz C=C(l) hullámhossz-függő! Tipikus vízszintes talajmenti látástávolságok: 10-30 km. Ennél nagyobbak ritkák. 60 km feletti talajmenti látástávolság már rendkívülinek tekinthető. A Mátrából alkalmasint (évente 3-4 alkalommal) meg lehet figyelni a kb. 120 km-re lévő Magas Tátra csúcsait (különösen tavasszal, hidegfrontok nyomában – amikor a csúcsok még havasak – növelik a “tárgy fénysűrűségét”)! Ld. 12. ábrát!

  7. TYNDALL-JELENSÉG

  8.  

     

    A szeszélyes alakú felhők által megszűrt napfénytől árnyékban lévő térrészekből nem érkezik felénk szórt fény, míg amerre akadálytalanul juthatott, onnan bőségesen. Az eredményül kapott kép a távlati hatás miatt többé-kevésbé széttartó fényes és sötétebb sávok rendszere (ld. 13. ábra).

  9. KREPUSZKULÁRIS SUGARAK (szürkületi sugarak)

  10.  

     

    Tulajdonképpen Tyndall-jelenség, csak különlegességét az adja meg, hogy a Nap már a látóhatár alatt van. Így a sugarak a Napnyugta pontjától sugárzódnak szét, alulról felfele nyílnak szét. Még frenetikusabb a hatás! A Nap fényének “megszűrését” távoli hegycsúcsok, jól körülhatárolt felhők okozhatják (ld. 14. ábra).

  11. ANTIKREPUSZKULÁRIS SUGARAK (szürkületi ellensugarak)

  12.  

     
     
     

Ez is a Tyndall jelenség, de a legritkább fajtája. Egy-egy adott helyen évente 2-3 alkalommal fordulhat elő, különböző erősséggel. Az igazán látványos (kontrasztos) antikrepuszkuláris sugarak ritkák! Míg a krepuszkuláris sugarak nyugaton figyelhetők meg, az anti-krepuszkuláris sugarak az átellenes pontban, és onnan sugárzódnak szét, szintén alulról felfele szétnyílóan. Ld. 15. ábra! Nehéz lefényképezni, mert igen gyenge a kontraszt a sötét és világos sávok között. Mivel mindkét jelenség a megfigyelő, és a napfény számára akadályt képező tereptárgyak (légköri objektumok) térségének aeroszol-mennyiségétől függ, gyakran egyszerre jelentkeznek (mint a szerző nem régiben tett megfigyelése: az antikrepuszkuláris sugár-rendszer egyik sugara átment a krepuszkuláris ellenpár egyik sugarába!
 
TÖRÉSI JELENSÉGEK
  1. CSILLAGÁSZATI REFRAKCIÓ

  2.  

     

    Mindenképpen külön illik említeni: a (földi léptékhez viszonyítva) végtelenben lévő objektumok a kintről befelé (fentről lefelé) egyre sűrűbb légrétegekbe történő belépés miatt (egyre inkább a beesési merőlegeshez közeledő törési szög miatt) a felszín közelében álló észlelő számára magasabban látszik az objektum, mint amilyen szögben ténylegesen van… Azaz: “megemeli” az égi objektumok helyét. A zenitben persze ez a hatás zéró, viszont egyre alacsonyabbra tekintve egyre gyorsabb ütemben nő, a horizont irányában pedig a legerősebb: kb. fél fok. Emiatt pl. a Nap teljes korongja látható lehet, amikor pedig már teljes terjedelmével lenyugodott! Így szélsőséges esetben az is előfordulhat, hogy a telihold és a nyugvó napkorong egyidejűleg a helyi látóhatár felett tartózkodik. A csillagászati refrakciót közelítő formulákkal kezelhetjük asztrometriai és egyéb észleléseink során. Tulajdonképpen ide kell sorolnunk a Napkorong kör alaktól való eltéréseit, torzulásait is.

  3. ZÖLD SUGÁR (“green flash”, valamint kék- és vörös sugár, “red flash”)

  4.  

     

    Minthogy a levegőt alkotó gázkeveréknek is van diszperziója, a nyugvó Napkorong különböző pontjairól a vastag, szférikus homogén gömbhéjakból összetehető légkör rétegein keresztül érkező különböző hullámhosszú sugarai eltérő módon (eltérő irányokba) terjednek tova. A rövidebb hullámhosszúságokra a refrakció nagyobb, mint a hosszabbakra. Ezért a rövidebb hullámhosszú “képe” a Napnak magasabban lesz, mint a hosszabb. Míg középtájt az átlagos színkeverék sárgásfehéret ad ki, (ritkán, de) előfordulhat, hogy a felső perem a narancssárgából átfordulhat élénk zöld színbe is. Ez a “zöld sugár” jelensége. Hasonló hatás fordulhat elő az alsó (a nyugvó korongnak a horizonttal érintkező) pontján is, ott a korongnál is sokkal mélyebb vörös elszíneződés fordulhat elő, ami ráadásul a korong körívének a horizont vonalához történő ráfűződésével is együtt jár… Ez pedig a “vörös sugár” jelenség. Amerikai modellszámításokból származó elméleti kép látható a 16. ábrán.

  5. NOVAYA ZEMLJA JELENSÉG

  6.  

     

    Csak a magasabb földrajzi szélességeken előforduló légköroptikai jelenség. A sokáig a látóhatár alatt (de ahhoz közel) lévő Napkorong felső, keskeny részének a Föld görbületét követően ívelő torzult alakja (ld. 17. ábra).

  7. SZCINTILLÁCIÓ

  8.  

     

    Kevert jelenség. A levegő különböző sűrűségű tartományai különböző optikai tulajdonságúak is (a törés mértékét megadó “törésmutató” összefügg a főbb fizikai állapotjelzőkkel: hőmérséklettel, sűrűséggel). Mindaddig, amíg kisebb (méteres karakterisztikus méretű) tartományok térben és időben véletlenszerűen változó állapotúak, a különböző irányokban és időben lezajló törési folyamatok hatásai kiegyenlítik egymást, és a tárgyakról ugyan szemünkhöz elérnek a sugarak, de eltérő optikai hosszúságú úton, így pillanatról pillanatra eltérő mennyiségű fény nyelődik el, és szóródik ki az eredeti fényből. A következmény: rendszertelenül váltakozó intenzitású és színű lesz a fény, és kissé az iránya is ingadozik (attól függően, hogy a szemünk előtti utolsó néhány törés folyományaként éppen milyen irányból látjuk beérkezni az adott tárgyról érkező konkrét sugarat). Ez a szcintilláció jelensége. Legfeltűnőbben pontszerű, távoli fényforrásokon lehet észrevenni: éjszaka, csillagokat nézve (“hunyorognak”). Nagyobb nagyítású távcsővel megnézve imbolyognak is.

  9. DÉLIBÁB (fata morgana)

  10.  

     

    Talán a legismertebb, legkevésbé bonyolult refrakciós effektus. Sokan visszaverődési jelenségnek gondolják, de a fizikai elv tisztán törés. Kialakulásakor a leglényegesebb momentum: legalábbis nagy léptékben rendezett, zavartalan homogén rétegekben elrendeződött legyen a levegő, hogy örvények ne keverjék el nagyobb távolságokon a melegebb és hidegebb tartományokat. Két alapvető típusa van: az egyenes állású délibáb (amely csak megemeli a távoli tárgyak képét), és a fordított állású (tükörkép) délibáb. Mindkettő legáltalánosabb magyarázatát mutatja a 18. ábra. A leképezésben részt vevő sugarak menetét szépen lehet modellezni különféle kezdőfeltételek előírása mellett. Mozdulatlan nyári forróságban jól ismert az aszfaltút, víz és száraz homokos felületek (sivatag) fölött jelentkező délibáb jelenség, de extrém környezetekben a legmeglepőbb, érzéki csalódást is okozó délibábokról is szóltak már beszámolók!

  11. SZIVÁRVÁNY (rainbow, és módosulatai: steambow, fogbow)

  12.  

     

    Talán a gyakoribb refrakciós jelenségek legszínpompásabbja. Minden ember már gyerekkorában megismeri. Számtalan nép mesevilágának, mondakörének szereplője. Magyarázatának alapelveit már tisztáztuk a “dicsfény” létrejötténél. A Nappal átellenben, ellenirányával (antiszoláris pont) fix szögeket bezáró, színeire bomló napfény alkotta íveket az aláhulló, közel gömb alakú vízcseppeken kétszer megtörő és egyszer (40-42 fokos ív) vagy kétszer (50-53 fokos ív) teljes visszaverődést szenvedő sugarak hozzák létre. Szinte a legelemibb szintű ismeretterjesztő munkákban, sőt több képes hetilapban is közzé tették a szivárvány létrejöttét magyarázó ábrákat, így itt most ettől eltekintünk! Amint azt már Descartes is felismerte tízezernyi fénysugár kiszerkesztésével: a vízcseppeken töréssel irányt változtató fény a legerősebb az ú.n. minimális szögeltérülés irányában. Ez a kb. 1,33 törésmutatójú víz esetében az antiszoláris iránnyal 42 fokot bezáró szivárványnak felel meg. A szivárvány azonban nem fehér: A víz, mint minden törő közeg, valamilyen mértékben “diszperz”, azaz a különböző hullámhosszakra kicsit más a törésmutatója, így törés után a különböző színű sugarak kicsit más szögben haladnak tovább, a csepp túlsó belső falán teljes visszaverődéssel ismét irányt változtatva, a másik víz/levegő határfelületen megint hullámhossztól függően kicsit ismét eltérő irányban haladnak tovább, a hullámhosszal folytonosan változó mértékben. Egyes irányokban hosszabb-, másokban rövidebb hullámhosszúságú fénysugarakat látunk, így a színképi színek folytonos átmenete figyelhető meg egy közel két fokos szélességű ív peremei között. Megfelelő feltételek közepette elegendő fény érkezhet a szemünkbe a másodlagos ívről is, amelyben az eggyel több teljes visszaverődés miatt a színek sorrendje ellentétes a “normál” 42 fokos ívével. A színek is szélesebb tartományban “kenődnek” szét: kb. 3 fokos szélességű az ív. Néhány megjegyzés a jelenséggel kapcsolatban: természetes szivárvány mindig csak 53,5 foknál alacsonyabban lévő Napkorong esetén fordulhat elő. Délidőben a lábunk alatti irányban lévő antiszoláris pont körüli említett szög(ek)ben “mesterséges” szivárványt finoman permetező kerti locsoló slaggal hozhatunk létre, vagy szökőkutaknál megfelelő irányban nézve. A másik, hogy (hasonlóan a dicsfényhez) mindenki a “saját” szivárványát látja (már következve abból a tényből is, hogy mindenkinek más-más az antiszoláris pontja).

    Néhány sokszor nem említett tény, és magyarázata: a fő szivárványon belül gyakran fényesebb az ég. Ez amiatt van, hogy sok fénysugár 42 foknál kisebb szögben lép ki a cseppekből. Ez a plusz fény hozzáadódik az abból az irányból jövő háttér-, és előtér fényhez. 42 és 53 fok közötti szögben nem lépnek ki sugarak, így a fő- és mellék-szivárvány között mindig sötét van (“Alexander sötét sávja”). Ritkaság számba megy, ha telihold környékén sikerül valakinek “hold-szivárványt” lefényképezni (a Hold milliószorta halványabb fénye miatt már észrevenni ilyet is nagy kunszt)! Különösen izgalmas kérdés, hogy miért láthatunk oly sokféle szivárványt…? A szivárvány színeinek erőssége, az ív szélessége sok mindentől függ. Többek között a cseppek méretétől is. Az alábbi táblázat egyszerű tapasztalati összefüggéseken alapszik:
    Csepp átmérője (mm)
    leírás
    1 – 2
    Nagyon fényes fő szivárvány, ibolya, fényes zöld, tiszta vörös színekkel. A kék gyenge. Rózsaszín és zöld “számfeletti ívek” belefolynak a fő ívbe. 
    0,5 körüli
    A fő szivárvány vörösben halványabb. Kevesebb “számfeletti ív”. 
    0,2 – 0,3
    A fő ívből hiányzik a vörös. A maradék jól fejlett. A “számfeletti ívek” fakó sárgák.
    0,1 körüli
    Sáv jelenik meg a fő ív, és az első “számfeletti ív” között.
    0,08 – 0,1
    A fő ív széles és fakó, csak az ibolya komponens fényes. Az első “számfeletti ív” fehéres, és jól elkülönül a fő ívtől. 
    0,06 körüli
    A fő szivárvány jól észrevehető fehér csíkot tartalmaz. 
    < 0,06
    Gőz-ív, felhő-ív, köd-ív: fehér, kivéve egy narancsos külső-, és kékes belső peremet. 

    Egy tipikus kettős szivárvány képét a 19. ábrán láthatjuk. Az említett “számfeletti ívek” nem törési, hanem elhajlási jelenség következményei, lentebb tárgyaljuk.

    Ködön, gőzön létrejövő szivárvány is megfigyelhető ritkán (ld. 20. ábra). Sőt nem csak a vízzel, hanem bármely más fénytörő anyaggal lehet szivárványt kelteni: Jearl Walker nagy törésmutatójú cukorszirup-permettel, és diodometánnal abnormálisan nagy sugarú szivárványjelenséget állított elő korábban. A kulcs a cseppeket alkotó anyag optikai tulajdonsága: a törésmutató, és diszperzió, valamint a cseppek mérete, sűrűsége. Különleges megfigyeléseket tehetünk a színkép látható tartományán kívüli sugarak lefényképezésével is…

  13. HALO

  14.  

     
     
     

Talán a legizgalmasabb, és egyben legösszetettebb refrakciós jelenség! Ehhez már nagy magasságokba kell ellátogatnunk: a felhők közé! –7 C fölötti hőmérsékleten általában vízcseppek, túlhűlt vízcseppek alkotják a felhőket. Még –7 és –20 C között is túlsúlyban vannak a túlhűlt vízcseppek. A szilárd fázis (jég) uralkodóvá válása a –20 C alatti hőmérsékleteken történik. Végül, -39 C alatt már csak szilárd fázis figyelhető meg! Eltérő fizikai viszonyok közepette más-más alakú jégkristályok jönnek létre: -30 C nál alacsonyabb hőmérsékleten szabályos, “prizma” alakú kristályos jég módosulat jön létre. –10 és –20 C között hexagonális csillagok (a jól ismert bámulatos szépségű hópelyhek), -5 C körül pedig hatlapú sokszögek (lemezek, tűk). Ezek különböző méretűek lehetnek, de jobbára három különböző fő típusba sorolhatók (ld. 21. ábra). Persze, ha relatíve gyors átrendeződések, mozgások vannak a képződési helyükön, nemigen alakul ki tartós optikai jelenség. Ellenben, ha viszonylagos nyugalom uralkodik a jégkristályok szintjén, akkor a különféle módosulatok különféle eloszlása, elfoglalt egyensúlyi helyzetei alakítják ki a megfigyelhető jelenséget. Pl. a lapos, hatszögletű módosulat egyensúlyi helyzetében kb. párhuzamosan lebeg a földfelszínnel. Még ha az összes ilyen kristály is pontosan így áll, még egy szabadsági foka van a beállásnak: a lapra merőleges tengely körüli elforgás, e tekintetben akárhogyan állhatnak a kristályok. Viszont a fényjelenség létrejöttéhez alkalmas elhelyezkedésűek elég sokan lehetnek ahhoz, hogy észlelhető erősségű fényt juttassanak irányukból az észlelőhöz. Legalább két felületen lezajló fénytörés hatása az, amit látunk (ld. 22. ábra). A legerősebb intenzitású a fényforrás irányával 22 fokos szöget bezáró irányban.

Tisztán törési jelenség! A mégoly komplex jelenség is szépen modellezhető a különböző beállású, különféle alakú hatszögletű jégkristályok egyes lapjaira adott szögben beérkező fénysugár egyszeres, vagy többszörös törés utáni továbbhaladási irányával. Néhány tipikus sugármenet, és az általa létrehozott alakzat a 23. ábrán látható. Így a halo legjellegzetesebb összetevő részei: a 22 fokos halo gyűrű (ennek külső íve kék, a belső a vöröses – néha csak egy-egy része látható, az is csak percekig, a teljes 360 fokos ív tartós, 15-20 perces fennmaradása igen ritka, hazánkban évente 2-3 alkalommal figyelhető meg egy-egy adott helyen), valamint a ritkább 46 fokos külső ív, a melléknap (angolszász elnevezése “sundog” – kb. a horizonttal párhuzamosan, a 22 fokos fő gyűrűnak a Nap magasságában történő kifényesedése), a parhélia kör, a tangenciális ív, és a horizontális ív. Ezek némelyike néha egyedül is jelentkezhet (ld. 24. ábrán pl. a tangenciális ív, a naposzlop – “pillar” – és a melléknap), minden azon múlik, a jelenséget létrehozó felhőkomplexumban melyik kristálymódosulat milyen eloszlásban található. Különleges része a halojelenségnek a naposzlop, ami a Nap fölött, függőlegesen, mintegy 5 fok magasságig emelkedő, fél fok széles fényoszlop. Érdekessége, hogy ellentétben a többi összetevővel, ez elsősorban reflexiós eredetű, ám olyannyira szerves része a halo jelenségnek, hogy itt említettük.

Egy amerikai egyetemen nemrégiben látványos Windows-os programot készítettek a jelenség interaktív modellezésére (a szerzőtől is megkapható).

A halojelenség feltételrendszere hidegfrontok előtt járó felhőzetnél teljesül, Magyarországon inkább tavasszal és ősszel fordul elő. Sarkvidéki övezetben nem ritka a teljes halo komplexum látványa sem! Egy ritkaság számba menő holdhalot és határozott mellékholdakat sikerült a szerzőnek megörökíteni 2001. őszén (25. ábra).
 
 

ELHAJLÁSI JELENSÉGEK

A legritkább, legrejtélyesebb légköroptikai jelenségek.

  1. SZÁMFELETTI ÍVEK (supernumerary arcs)

  2.  

     

    A szivárványt kísérő jelenség. Fentebb már megemlítettük. Fizikai magyarázatáról itt szólunk. A 26. ábrán szemléltetett módon, a vízcseppek pereménél elhajló fény különböző hullámhosszú összetevőinek eltérő útkülönbséggel történő találkozásából származó interferencia hozza létre.

  3. GLÓRIA

  4.  

     

    A Nappal átellenben, az észlelő antiszoláris pontja körül (a fentebb már tárgyalt “dicsfény”-hez hasonló módon, de nem növényi levelek felületén, hanem levegőben lebegő) finom eloszlású páracseppeken a kétszeres törés után visszafele jövő sugár különböző hullámhosszú összetevőinek kis útkülönbségek miatti interferenciája miatt kialakuló körszimmetrikus színes mintázat (gyűrű). A 27. ábrán egy hegy tetejéről a völgyben lebegő párán megjelenő glória látható. Jól látszik a fotós árnyéka is az antiszoláris pont környékén.

  5. IRIZÁLÓ FELHŐK (irridescent clouds, más néven: coronae, korona, holdudvar)

  6.  

     
     
     

A Nap, illetve ritkán a telihold környezetében kis vízcseppeken, ill. jégtűkön elhajló fény interferencia jelensége. Többnyire szimmetrikus, körszerűen veszi körül a Napot (Holdat), annak “koronájaként” tűnik fel. A népnyelvben a leggyakoribb elnevezés a Hold körül létrejövő elhajlási jelenséget illeti (“udvara van a Holdnak”), feltehetőleg a Nap erős fénye miatt a Nap körüli hasonló jelenség nem volt ismeretes a szabad szemes észlelések alapján. Változatos színű lehet, a fényforrás közelében az előreszórás miatt fehéres színű, attól távolodva, amint csökken a szórt fény erőssége, láthatóvá válik a belül kék, kívül vörös elszíneződés. A Hold gyenge fénye miatt a színképi vöröstől ibolyáig terjedő színátmenet helyett csak kékes és sárgás színek figyelhetőek meg. Az elhajlást okozó cseppecskék mérete függvényében kissé változó szögátmérője lehet a Nap és Hold körül. Az “irizáló felhők” esetében a Nap iránya közelébe kerülő (alkalmas méretű cseppeket tartalmazó) felhőkön változatos méretű és alakú erős elszíneződéseket láthatunk (28. ábra) erősen elnyelő napszemüveggel. Nyáron gyakori jelenség, de a szerző saját tapasztalata alapján az emberek túlnyomó többsége életében nem látott ilyet, sőt, még ha a figyelmüket fel is hívjuk a jelenségre, még csak el sem hiszik, hogy léteznek “színes felhők”. Sok esetben, mikor meg is mutatjuk, sokan még akkor sem látják színesnek – feltehetőleg az emberek kisebb hányada képes a Nap közelsége mellett gyengébb fénylésben színeket észre venni).

Jól szemléltethető a jelenség létrejötte sűrű szövésű fátyolon (vagy szabályos porszemek vékony rétegén) keresztül nézett távoli lámpa fényével (29. ábra).
 
 

EGYÉB (“AKTÍV”) LÉGKÖROPTIKAI JELENSÉGEK

A felsorolt jelenségekben a légkört alkotó anyagok mindig tehetetlen résztvevői voltak az adott effektusnak. Léteznek azonban olyan légköroptikai jelenségek, amelyekben aktív szerepet játszanak a légkör összetevői, elsősorban atomjai, molekulái. Ide elsősorban két csoportot sorolhatunk:

  1. ELEKTROMOS JELENSÉGEK (villám, Szt. Elmo tüze, stb.)

  2.  

     

    Az elektromos kisülés során kialakuló, igen változatos, bonyolult alakú “ionizációs csatorna” mentén ionizálódó légköri atomok rekombinálódásakor kibocsátódó fény, és ennek a légköri aeroszolokon szóródó fénye látványos, soha sem ismétlődő alakzatú látványos – maximum néhány tized másodpercig tartó fényjelenséget okoz. Az oxigén jellegzetes kékes-lila emissziós vonalai miatt általában ilyen színű villámokat láthatunk (30. ábra) . A nagyon ritkán megfigyelt “gömbvillámok” (a magyar népnyelvben “matató ménkű” néven említik) a leírások szerint narancssárga színűek.

    Hajók árbóca, és néha más (csúcsos) mesterséges tárgyak felülete közelében megjelenő kékes-zöld fény a csúcshatás miatt jelentkező (szintén elektromos) fénylés.

  3. ÉSZAKI FÉNY (sarki fény, aurora borealis és aurora australis – “déli” fény)

  4.  

     
     
     

A Napból érkező nagy sebességű, elektromosan töltött részecskék (elektronok, protonok, nehezebb ionok) a Föld mágneses erőterének erővonalait követve az Északi és Déli mágneses pólusok körül, egészen a felszín közelébe érve, a sűrűbb levegőbe ütközve magasabb energiaszintekre gerjesztik a légkör atomjait. A nitrogén jellegzetes zöld-, az oxigén kékes-lilás, és pirosas színű vonalai miatt gyakran zöld, narancsos, lila színekben pompázó, sokféle alakzatot formázó fényjelenséget produkál. Szokásos megnevezése félrevezető, mert a déli pólus környékén ugyanúgy előfordul (déli fény)! Eredete miatt nyilvánvalóan gyakoribb, és intenzívebb a naptevékenységi maximum körüli években (11,5 évente). Ilyenkor nem ritka, hogy alacsonyabb földrajzi szélességekről is megfigyelhető – bár optimális légköri viszonyoknak kell teljesülni ahhoz, hogy a fényszóródás, és elnyelődés ezt lehetővé tegye! Természetesen hazánknak a poláris régiótól való távolsága miatt erősen vörösödött színekben tud csak pompázni, és csupán a legfényesebb részei látszanak. A szerző kivételes szerencséjének tekinti, hogy a legutóbbi évtizedek néhány rendkívül látványos sarki fényéből kettőt is (1981.07.25/26. és 2001.10.21/22.) alkalma volt látni. Az utóbbiról diafelvételeket is sikerült készíteni (ld. 31. ábra).
 
Az itt bemutatott jelenségek rendszerezése legjobb tudásunk szerint teljes. Azonban ez korántsem jelenti azt, hogy igen ritkán előforduló esetleges további látványos jelenségek nem maradtak ki. Sőt, még e területen is van felfedezni való! Célunk az volt, hogy az igen komplex jelenségkört áttekinthetően, rendszerezetten tárjuk az érdeklődők elé, a szép látvány mögötti fizikát megértessük, és a jövőben ezek értő megfigyelésére, lefotózására buzdítsunk. Érdemes időről időre az égre pillantani – bármikor csodás látvány tanúi lehetünk!

Referenciák:

Bernolák Kálmán: A fény (1981, Műszaki Könyvkiadó, Bp)

Czelnai Rudolf: Bevezetés a meteorológiába (ELTE TTK jegyzet, 1998, Nemzeti Tankönyvkiadó, Bp)

R. J. Kubesh: Sundog Simulator (1997, Sky and Telescope Vol. 93, 103)

D. K. Lynch: Color and Light in Nature (Color Slide Set I., 1982, Hansen Planetarium Publication)

Problemi atmosfernoy optiki (ed. A. L. Osherovitch, 1979, Izd. Leningradskovo Univ.)

R. A. R. Tricker: Introduction to meteorological optics (Mills & Boon Ltd., 1970, London)

F. Schaaf: Riches of the Rainbow (1992, Sky and Telescope Vol. 84, 148)
 
 

Látásról pl.: Tudomány (Scientific American) III. évf. 6, 24, IV. évf. 9, 58, VIII. évf. 11, 24.

Villámokról: Tudomány (Scientific American) V. évf. 1, 30. Sarki fényről: V. évf, 7, 38.