Mechanizm · dyfrakcjaWieniec · małyBarwa · błękit wewnątrzGloria · wstecz
Rozdział 21 / Optyka

Wieńce, glorie i opalizacja

Kolorowe pierścienie tuż wokół Księżyca pozwalają zmierzyć rozmiar kropel w chmurze, do której nigdy nie dolecimy.

TL;DR
Mechanizm · światło zagina się na krawędziach

Trzecia rzecz, którą robi światło

W Rozdziale 19 użyliśmy załamania i odbicia, w Rozdziale 20 — załamania w pryzmacie i odbicia od płaskich ścianek. Zostało trzecie zachowanie, i jest ono najmniej intuicyjne, bo wymaga potraktowania światła jako fali. Wszystkie trzy mają zresztą wspólny korzeń: fala kołysze elektronami w kropli czy krysztale, a rozkołysane elektrony same wysyłają maleńkie fale. Odbicie, załamanie i dyfrakcja to tylko różne sposoby, w jakie te fale składają się w całość — tę scenę oglądaliśmy od środka w Rozdziale 3.

Rzecz w tym, że fala napotykająca przeszkodę nie rzuca idealnie ostrego cienia. Zagina się wokół krawędzi i wchodzi trochę w obszar, który „powinien" być ciemny. Znamy to z dźwięku: słychać kogoś zza rogu, choć go nie widać — bo fala dźwiękowa ma długość rzędu metra i bez trudu opływa róg budynku.

Światło ma długość fali pół mikrometra, a kropelka chmurowa — od kilku do kilkudziesięciu mikrometrów, czyli jest od fali dziesięć do kilkudziesięciu razy większa. To wciąż na tyle mało, że zagięcie widać gołym okiem: im mniejsza przeszkoda w stosunku do fali, tym szerzej fala się za nią rozchodzi, i przy kropelkach chmurowych wychodzą z tego kąty rzędu kilku stopni. Przy dachu czy kamieniu, miliony razy większych od fali, zagięcie jest tak znikome, że widzimy ostry cień. Zagięte fale, biegnące różnymi drogami, nakładają się na siebie: w niektórych kierunkach wzmacniają się, w innych wygaszają. Efekt to koncentryczne pierścienie.

To wystarczy do wszystkiego w tym rozdziale. I daje od razu jedną ważną własność: rozmiar pierścieni zależy od rozmiaru przeszkody — czyli, w odróżnieniu od halo i tęczy, jest zmienny. Mniejsza przeszkoda zagina fale mocniej, więc daje pierścienie większe. Ta odwrotna zależność jest kluczem do całego rozdziału.

Wieniec · pomiar z podwórka

Pierścienie wokół Księżyca

Gdy cienka chmura przesłania Księżyc, widać czasem wokół niego niewielkie, kolorowe pierścienie: jasny obszar tuż przy tarczy, potem brązowawo-czerwonawy brzeg, czasem drugi i trzeci pierścień. To wieniec — po łacinie corona.

Podstawowe rozróżnienie, które warto sobie wbić raz na zawsze, bo to najczęstsza pomyłka w obserwacji nieba:

Halo czy wieniectrzy testy, każdy rozstrzyga
HALO · lód czerwień od wewnątrz duże · 22° · jak rozstawiona dłoń stały rozmiar, zawsze taki sam WIENIEC · kropelki wody błękit od wewnątrz małe · kilka stopni · tuż przy tarczy rozmiar zmienny — zależy od kropel test rozstrzygający: po której stronie jest czerwień
Rysunek nie jest w skali — halo jest w rzeczywistości kilkakrotnie większe względem wieńca, niż tu widać.

A teraz najlepsze. Skoro rozmiar wieńca zależy odwrotnie od rozmiaru kropel, to mierząc wieniec, mierzymy krople. Kropelki o średnicy 10 mikrometrów dają pierścień o promieniu jakichś 3 stopni; kropelki 20-mikrometrowe — półtora stopnia; 40-mikrometrowe — poniżej stopnia.

Stojąc na balkonie z wyciągniętą ręką, jesteśmy więc w stanie oszacować średnicę kropelek w chmurze wiszącej trzy kilometry nad nami, do której nigdy nie dolecimy. To jest, moim zdaniem, jeden z ładniejszych momentów w całej tej książce — i konsekwencja tego samego wzorca, który wracał w każdym rozdziale: rozmiar cząstki wobec długości fali decyduje o wszystkim.

Wieniec zdradza też coś jeszcze: im wyraźniejsze i bardziej okrągłe pierścienie, tym bardziej jednorodne krople. Jeśli w chmurze są krople różnej wielkości, pierścienie różnych rozmiarów nakładają się i wszystko rozmywa się w białawą poświatę. Ostry, kolorowy wieniec oznacza więc chmurę świeżą, w której krople dopiero co powstały i nie zdążyły urosnąć nierównomiernie.

↓ Dodatek T — dyfrakcja w liczbach: jak odczytać rozmiar kropli z rozmiaru wieńca
Opalizacja · perłowe brzegi

Kolory na obrzeżach chmur

Opalizacja, zwana też iryzacją, to nieregularne pasma pastelowych barw — najczęściej różu, zieleni i błękitu — pojawiające się na cienkich obrzeżach chmur w pobliżu Słońca. Wygląda to jak perłowa masa albo jak kolory na powierzchni bańki mydlanej.

Mechanizm jest ten sam co przy wieńcu — to po prostu fragment wieńca. Różnica polega na tym, że chmura nie jest jednorodną warstwą przed tarczą, tylko ma nierówny brzeg, w którym rozmiar kropel zmienia się z miejsca na miejsce. Każdy fragment daje pierścień o innym promieniu, więc zamiast koncentrycznych kół dostajemy nieregularne, poplątane pasma.

Opalizacja wymaga bardzo drobnych i bardzo jednorodnych kropelek, więc pojawia się głównie na świeżych, młodych chmurach: na obrzeżach rosnących Altocumulusów, na chmurach soczewkowatych, na czapeczkach pileus nad wieżami kłębiastymi z Rozdziału 17, i całkiem często na obłokach perłowych — którym to zresztą zawdzięczają nazwę.

Praktycznie: opalizację widuje się częściej, niż się wydaje, ale trzeba zasłonić Słońce, bo zjawisko jest w promieniu kilku-kilkunastu stopni od tarczy i inaczej ginie w blasku. Ten sam gest, który poznaliśmy przy halo, i ta sama zasada bezpieczeństwa z Rozdziału 4.

Mit

Opalizacja chmur działa jak plama oleju na wodzie albo jak bańka mydlana.

W bańce mydlanej i plamie oleju barwy biorą się z interferencji w cienkiej warstwie — światło odbite od górnej i dolnej powierzchni nakłada się na siebie. W chmurze nie ma żadnej cienkiej warstwy; są pojedyncze kropelki, a barwy biorą się z dyfrakcji na ich krawędziach.

Efekt wizualny jest łudząco podobny — pastelowe, przechodzące jedna w drugą barwy — więc analogia sama się nasuwa. Prowadzi jednak w złą stronę: gdyby chodziło o cienką warstwę, kolor zależałby od grubości chmury, a zależy od rozmiaru kropel.

Gloria · pierścienie wokół własnego cienia

Zjawisko, którego promienie nie tłumaczą

Kto leciał samolotem nad zwartą pokrywą chmur przy niskim Słońcu i patrzył przez okno po stronie cienia, mógł zobaczyć coś zdumiewającego: cień samolotu na chmurach, a wokół niego zestaw koncentrycznych, barwnych pierścieni.

To gloria. Widuje się ją także w górach: stojąc na grani nad morzem chmur albo mgły, z Słońcem za plecami, dostrzega się cień własnej głowy otoczony aureolą. W kulturze alpejskiej nazywa się to czasem „aureolą świętego", a że ludzie widzą pierścienie wyłącznie wokół własnej głowy — bo tylko tam wypada ich punkt antysłoneczny — to historycznie bywało odbierane jako wyróżnienie.

Gloria powstaje przez rozproszenie wsteczne na kropelkach: światło wraca dokładnie w stronę, z której przyszło. I tu jest rzecz, którą warto powiedzieć wprost, bo jest uczciwa i rzadko się ją mówi: prosta teoria promieni, której używaliśmy przy tęczy i halo, w ogóle nie przewiduje glorii. Śledząc promienie wchodzące w kroplę, nie da się otrzymać silnego powrotu dokładnie do tyłu.

Pełne wyjaśnienie wymaga potraktowania kropli jako obiektu falowego i uwzględnienia fal biegnących wzdłuż jej powierzchni. To model znacznie trudniejszy, opracowany dopiero w XX wieku. Wniosek dla nas jest jednak prosty i wart zapamiętania: modele mają zakres stosowalności, a gloria jest miejscem, w którym ten z Rozdziału 19 się kończy — i widać to gołym okiem.

Jak przy wieńcu, rozmiar pierścieni glorii zależy od rozmiaru kropel. Lecąc nad chmurami i widząc, jak gloria pulsuje i zmienia średnicę, patrzymy na zmiany rozmiaru kropel w kolejnych fragmentach chmury pod nami.

Widmo Brockena · olbrzym, który nim nie jest

Perspektywa, nie powiększenie

Zjawisku glorii często towarzyszy coś, co ma własną nazwę i własną legendę: widmo Brockena. To nasz własny cień rzucony na mgłę lub chmurę, wyglądający na ogromny i sprawiający wrażenie, że stoi kilkanaście metrów dalej — a czasem że się porusza niezależnie od nas.

Nazwa pochodzi od Brockenu, najwyższego szczytu Harzu w Niemczech, gdzie mgły są częste i gdzie zjawisko opisano jako pierwsze. Doczekało się bogatej mitologii górskiej.

Mit

Mgła powiększa cień — dlatego widmo Brockena jest olbrzymie.

Cień nie jest powiększony. Jest rzutowany na krople w różnej odległości, a nasz mózg, nie mając punktów odniesienia we mgle, zakłada, że stoi daleko — a skoro daleko i wciąż duży, to musi być gigantyczny. To ta sama pomyłka percepcyjna, co przy złudzeniu Księżyca z Rozdziału 4.

We mgle nie ma niczego, co pozwoliłoby ocenić odległość: żadnych drzew, krawędzi ani nakładających się planów. Bez tych wskazówek ocena rozmiaru jest zgadywaniem — a mózg zgaduje konsekwentnie w tę samą stronę.

Wrażenie ruchu ma równie prozaiczne wyjaśnienie: mgła się przemieszcza, więc powierzchnia, na którą pada cień, cały czas się zmienia. Cień „drga" i „skacze", choć my stoimy nieruchomo.

Podsumowanie części · cztery zjawiska, cztery testy

Tabela, którą warto mieć w głowie

Zamykamy optykę nieba. Cztery rodziny zjawisk, jakie realnie da się zobaczyć znad polskiego chodnika, i cztery pytania, które je rozstrzygają:

Cztery zjawiskarozstrzygające testy
ZJAWISKO GDZIE PATRZEĆ ROZMIAR Z CZEGO Tęcza naprzeciw Słońca 42°, stały krople deszczu Halo wokół Słońca 22°, stały kryształy lodu Wieniec tuż przy tarczy 1–5°, ZMIENNY kropelki chmury Gloria wokół cienia głowy kilka °, ZMIENNY kropelki chmury stały rozmiar = załamanie · zmienny rozmiar = dyfrakcja to jedno zdanie porządkuje całą Część V
Jeśli zapamiętamy tylko dolny wiersz, poradzimy sobie z każdym zjawiskiem optycznym, jakie zobaczymy.
Pomiar · wieniec jako przyrząd

Z rozmiaru pierścienia da się odczytać wielkość kropelek

Wieniec wokół Księżyca jest jednym z niewielu zjawisk na niebie, które daje się odczytać ilościowo bez żadnego sprzętu. Zależność jest odwrotna i to jest w niej najciekawsze: im mniejsze kropelki, tym większy pierścień.

Powód jest ogólną własnością ugięcia światła. Im ciaśniejsza przeszkoda, tym szerzej fala się za nią rozkłada — to ta sama reguła, przez którą wąska szczelina w drzwiach rozprasza dźwięk po całym pokoju, a szeroka przepuszcza go wąskim snopem.

Wieniec wokół Księżycapromień a średnica kropelek
duży wieniec kropelki ok. 5 µm promień ok. 8° średni wieniec kropelki ok. 10 µm promień ok. 4° ciasny wieniec kropelki ok. 25 µm promień ok. 1,5° Odniesienie: tarcza Księżyca ma 0,5°, mały palec na wyciągniętej ręce około 1°.
Bursztyn to zewnętrzny, czerwonawy brzeg pierścienia, fiolet — wewnętrzny, niebieskawy. Kolejność barw jest tu odwrotna niż w halo: w wieńcu czerwień jest na zewnątrz, w halo 22° po stronie wewnętrznej. To najprostszy sposób, żeby te dwa zjawiska rozróżnić.

Zależność da się wykorzystać wprost. Wieniec o promieniu dwóch szerokości Księżyca oznacza kropelki rzędu dziesięciu mikrometrów — czyli typową, świeżą chmurę. Wieniec bardzo ciasny, ledwie otaczający tarczę, oznacza kropelki duże, a więc chmurę starszą, w której zdążyły się połączyć.

Jest w tym jeszcze jedna informacja, ważniejsza niż sam rozmiar. Żeby wieniec był wyraźny i miał czyste barwy, kropelki muszą być podobnej wielkości. Chmura o zróżnicowanych kropelkach daje wiele nakładających się pierścieni o różnych promieniach, które zlewają się w białawą poświatę. Ostry, kolorowy wieniec jest więc dowodem na chmurę jednorodną — a takie są zwykle młode, cienkie Altocumulusy.

Trzy mechanizmy · porządek na całą Część V

Odbicie, załamanie, ugięcie — i jak je rozpoznać z ziemi

Część V opisała kilkanaście zjawisk, które łatwo pomylić. Warto je na koniec uporządkować, bo wszystkie sprowadzają się do trzech rzeczy, jakie światło potrafi zrobić po drodze, i do dwóch rodzajów przeszkody: kropli albo kryształka.

Trzy mechanizmy, trzy wyglądytablica rozpoznawcza
załamanie w kropli tęcza · 42° · naprzeciw Słońca łuk, czerwień na zewnątrz załamanie w krysztale lodu halo · 22° · wokół Słońca pierścień, czerwień do wewnątrz ugięcie na krawędzi wieniec, gloria, opalizacja ciasne pierścienie, czerwień na zewnątrz Pierwsze pytanie zawsze to samo: gdzie jest zjawisko względem Słońca? Naprzeciw → tęcza albo gloria. Wokół Słońca → halo albo wieniec. Na brzegu chmury → opalizacja.
Rozpoznanie zaczyna się od położenia względem Słońca, nie od wyglądu. Dopiero drugie pytanie — jak duże i w jakiej kolejności barw — rozdziela pary, które w pierwszym pytaniu wypadły razem.

Warto zauważyć, jak niewiele trzeba, żeby uporządkować kilkanaście zjawisk. Wystarczają dwa pytania.

Pierwsze: gdzie to jest? Zjawiska wokół Słońca (halo, wieniec, słońca poboczne) i zjawiska naprzeciw Słońca (tęcza, gloria, widmo Brockena) to dwie rozłączne rodziny. Nie da się ich pomylić, jeśli tylko odwróci się głowę.

Drugie: jak duże? Wokół Słońca: pierścień o promieniu kilku stopni to wieniec — kropelki wody. Pierścień o promieniu 22° to halo — kryształki lodu. Różnica jest tak duża, że nie wymaga mierzenia; halo trzeba obejmować całą dłonią, wieniec mieści się w dwóch palcach.

I ostatnia obserwacja, domykająca całą tę część. Wszystkie te zjawiska to ten sam mechanizm, co niebieskie niebo i biała chmura — fala kołysze elektronami przeszkody, a te, rozkołysane, świecą dalej. O tym, co z tego wyjdzie, rozstrzyga rozmiar przeszkody w porównaniu z długością fali: cząsteczka powietrza, ponad tysiąc razy mniejsza od fali, daje błękit; kropelka, dziesięć do kilkudziesięciu razy większa, daje biel, wieniec i glorię; kropla i kryształek, setki i tysiące razy większe, prowadzą światło już jak soczewka i pryzmat — stąd tęcza i halo. Cztery przeszkody, jedna fizyka, całe niebo. Jak to kołysanie wygląda od środka, widzieliśmy w Rozdziale 3.

Gloria · gdzie jej szukać naprawdę

Zjawisko, które najłatwiej zobaczyć z samolotu

Gloria jest ze wszystkich zjawisk tej części najrzadziej widziana z ziemi i najłatwiej dostępna w powietrzu — a większość ludzi przelatuje obok niej, nie wiedząc, że jest po drugiej stronie kadłuba.

Warunek jest jeden: trzeba mieć chmurę pod sobą i Słońce za sobą. Wtedy dokładnie naprzeciw Słońca, w miejscu, gdzie pada nasz własny cień, pojawiają się barwne pierścienie. Z samolotu cień jest mały, więc widać go razem z gloria wokół; z góry w Alpach albo Tatrach cień jest nasz własny i olbrzymi — i wtedy nazywa się to widmem Brockena.

Gdzie usiąść w samolocielot rano na wschód
Słońce lecimy w prawo warstwa chmur pod nami cień samolotu i gloria wokół niego Gloria jest zawsze dokładnie naprzeciw Słońca — czyli po stronie przeciwnej niż ono. Lecąc rano na wschód, siadamy po prawej. Wieczorem na zachód — też po prawej.
Reguła jest prosta i warto ją mieć w telefonie: siadamy po stronie przeciwnej do Słońca. Przy locie na wschód rano oraz na zachód wieczorem wypada to po tej samej, prawej stronie kabiny.

Gloria ma jeszcze jedną własność, która robi wrażenie i bywa źle rozumiana: każdy widzi ją wokół własnego cienia i tylko wokół własnego. Stojąc we dwoje na grani nad morzem chmur, każde z nas widzi pierścienie wokół siebie, a nie wokół drugiej osoby. To ta sama geometria, co przy tęczy — zjawisko jest ustawione względem oka obserwatora, nie względem krajobrazu.

Stąd bierze się nazwa i część historii, którą gloria ciągnie za sobą. W tradycji chrześcijańskiej pierścień światła wokół głowy — aureola — pojawia się na obrazach osób świętych; górale i alpiniści, którzy widzieli glorię wokół własnego cienia, mieli więc gotową interpretację czekającą na zjawisko. Znajomość mechanizmu nie odbiera jej niczego: nadal jest to jedyna sytuacja, w której człowiek widzi światło ułożone w pierścień dokładnie wokół siebie i wokół nikogo innego.

Z praktyki

Wieniec przy Księżycu jest najłatwiejszy. Nie trzeba niczego zasłaniać, bo Księżyc nie razi. Wystarczy noc z cienką warstwą chmur przechodzącą przed pełnią. Warto zmierzyć promień pierwszego kolorowego pierścienia wyciągniętą ręką — jeśli jest wielkości palca, krople mają jakieś 20 mikrometrów.

Gloria z samolotu. Trzeba usiąść po stronie przeciwnej do Słońca — czyli lecąc rano na zachód, po stronie prawej. Patrzymy na cień samolotu na chmurach pod nami. Widać ją zaskakująco często, tylko prawie nikt nie patrzy w tamtą stronę.

Opalizacja o każdej porze roku. Zasłaniamy Słońce krawędzią dachu i patrzymy na brzegi chmur w promieniu kilkunastu stopni. Najlepiej działa na małych, świeżych Altocumulusach — te pastelowe róże i zielenie na skraju chmury to właśnie ona.

Słowniczek
dyfrakcja
Zaginanie się fali na krawędzi przeszkody. Trzecie — obok odbicia i załamania — zachowanie światła istotne w tej książce.
wieniec (corona)
Kolorowe pierścienie tuż wokół Słońca lub Księżyca, z dyfrakcji na kropelkach. Błękit od wewnątrz; rozmiar odwrotnie proporcjonalny do rozmiaru kropel.
opalizacja (iryzacja)
Pastelowe pasma barw na obrzeżach chmur. Fragment wieńca powstający tam, gdzie rozmiar kropel zmienia się z miejsca na miejsce.
gloria
Barwne pierścienie wokół cienia obserwatora rzuconego na chmurę. Rozproszenie wsteczne; teoria promieni jej nie przewiduje.
widmo Brockena
Powiększony pozornie cień obserwatora na mgle. Powiększenie jest perspektywiczne, nie optyczne.
rozproszenie wsteczne
Odesłanie światła dokładnie w stronę, z której przyszło. Mechanizm glorii.
interferencja
Nakładanie się fal, wzmacniające je w jednych kierunkach i wygaszające w innych. Źródło pierścieni i łuków nadliczbowych.
Idź głębiej
Dodatek T — Dyfrakcja w liczbach