6. klass õpib koolis teemat “Optilised nähtused atmosfääris”. See huvitab aga mitte ainult lapse uudishimulikku meelt. Atmosfääris esinevad optilised nähtused ühendavad ühelt poolt vikerkaare, taeva värvi muutumise päikesetõusude ja -loojangute ajal, mida kõik näevad rohkem kui üks kord. Teisest küljest hõlmavad need salapäraseid miraaže, valekuusid ja -päikeseid, muljetavaldavaid halosid, mis minevikus inimesi hirmutasid. Mõnede nende tekkemehhanism on tänaseni lõpuni ebaselge, kuid üldpõhimõtet, mille järgi optilised nähtused looduses "elavad", on tänapäeva füüsika hästi uurinud.
Õhkkest
Maa atmosfäär on kest, mis koosneb gaaside segust ja ulatub umbes 100 km kõrgusele merepinnast. Õhukihi tihedus muutub Maast kaugenedes: selle suurim väärtus on planeedi pinnal, kõrgusega väheneb. Atmosfääri ei saa nimetada staatiliseks moodustiseks. Gaasilise ümbrise kihidpidev alt liigutades ja segades. Nende omadused muutuvad: temperatuur, tihedus, liikumiskiirus, läbipaistvus. Kõik need nüansid mõjutavad planeedi pinnale tormavaid päikesekiiri.
Optiline süsteem
Atmosfääris toimuvad protsessid ja ka selle koostis aitavad kaasa valguskiirte neeldumisele, murdumisele ja peegeldumisele. Osa neist jõuab sihtmärgini – maapinnale, teine hajub või suunatakse tagasi avakosmosesse. Valguse kumeruse ja peegeldumise, osa kiirte lagunemise spektriks jne tulemusena tekivad atmosfääris mitmesugused optilised nähtused.
Atmosfäärioptika
Ajal, mil teadus oli lapsekingades, selgitasid inimesed optilisi nähtusi Universumi ehituse kohta levinud ideede põhjal. Vikerkaar ühendas inimeste maailma jumalikuga, kahe valepäikese ilmumine taevasse andis tunnistust lähenevatest katastroofidest. Tänapäeval on enamik meie kaugeid esivanemaid hirmutanud nähtustest saanud teadusliku seletuse. Atmosfäärioptika tegeleb selliste nähtuste uurimisega. See teadus kirjeldab füüsikaseadustele tuginedes optilisi nähtusi atmosfääris. Ta oskab selgitada, miks taevas on päeval sinine, kuid muudab värvi päikeseloojangu ja koidiku ajal, kuidas tekib vikerkaar ja kust tulevad miraažid. Arvukad uuringud ja katsed võimaldavad tänapäeval mõista selliseid looduses esinevaid optilisi nähtusi nagu helendavad ristid, Fata Morgana, vikerkaarehalod.
Sinine taevas
Taeva värvnii tuttav, et mõtleme harva, miks see nii on. Sellegipoolest teavad füüsikud vastust hästi. Newton tõestas, et teatud tingimustel saab valguskiire spektriks lagundada. Atmosfääri läbimisel hajub sinisele värvile vastav osa paremini. Nähtava kiirguse punast lõiku iseloomustab pikem lainepikkus ja see on hajumise astme poolest 16 korda madalam kui violetne.
Samas ei näe me taevast mitte lillat, vaid sinist. Selle põhjuseks on võrkkesta ehituse iseärasused ja spektri osade suhe päikesevalguses. Meie silmad on sinise suhtes tundlikumad ja päikese spektri violetne osa on vähem intensiivne kui sinine.
Scarlet päikeseloojang
Kui inimesed said aru, mis atmosfäär on, lakkasid optilised nähtused olemast nende jaoks tõenditeks ega kohutavate sündmuste ennetamiseks. Teaduslik lähenemine ei sega aga esteetilist naudingut värvilistest päikeseloojangutest ja õrnadest päikesetõusudest. Erksad punased ja oranžid koos roosade ja sinistega annavad järk-järgult teed ööpimedusele või hommikuvalgusele. Kahte ühesugust päikesetõusu või -loojangut on võimatu jälgida. Ja selle põhjus peitub atmosfäärikihtide samas liikuvuses ja muutuvates ilmastikutingimustes.
Päikeseloojangu ja -tõusu ajal liiguvad päikesekiired maapinnale pikema tee kui päeval. Selle tulemusena lähevad külgedele hajutatud violetne, sinine ja roheline ning otsene valgus muutub punaseks ja oranžiks. Pilved, tolm või jääosakesed aitavad kaasa päikeseloojangu ja koidu pildile,õhus rippuma. Valgus murdub neid läbides ja värvib taevast erinevates toonides. Päikesest vastaspoolel horisondil võib sageli jälgida nn Veenuse vööd – roosat riba, mis eraldab tumedat öötaevast ja sinist päevataevast. Rooma armastusjumalanna järgi nime saanud kaunis optiline nähtus on nähtav enne koitu ja pärast päikeseloojangut.
Vikerkaaresild
Võib-olla ei tekita ükski teine valgusnähtus atmosfääris nii palju mütoloogilisi süžeesid ja muinasjutupilte kui need, mis on seotud vikerkaarega. Seitsmest värvist koosnev kaar või ring on kõigile teada lapsepõlvest saati. Ilus atmosfäärinähtus, mis ilmneb vihma ajal, kui päikesekiired läbivad piiska, paelub isegi neid, kes on selle olemust põhjalikult uurinud.
Ja tänane vikerkaare füüsika pole kellelegi saladus. Päikesevalgus, mida murduvad vihmapiiskad või udu, lõheneb. Selle tulemusena näeb vaatleja spektri seitset värvi, punasest violetseni. Nendevahelisi piire on võimatu määratleda. Värvid sulanduvad sujuv alt üksteisega läbi mitme tooni.
Vikerkaart vaadeldes on päike alati inimese taga. Irida naeratuse keskpunkt (nagu vanad kreeklased nimetasid vikerkaareks) asub vaatlejat ja päevavalgust läbival joonel. Vikerkaar ilmub tavaliselt poolringina. Selle suurus ja kuju sõltuvad Päikese asukohast ja vaatleja asukohast. Mida kõrgemal on valgusti horisondi kohal, seda madalamale langeb võimaliku välimuse ring.vikerkaared. Kui Päike möödub 42º horisondi kohal, ei näe Maa pinnal olev vaatleja vikerkaart. Mida kõrgemal merepinnast on inimene, kes soovib Irida naeratust imetleda, seda tõenäolisem on, et ta ei näe mitte kaare, vaid ringi.
Kahekordne, kitsas ja lai vikerkaar
Sageli näete koos peamisega ka nn sekundaarset vikerkaart. Kui esimene moodustub valguse ühekordse peegelduse tulemusena, siis teine on kahekordse peegelduse tulemus. Lisaks eristub põhivikerkaart teatud värvijärjekorraga: punane asub väljastpoolt ja lilla on sees, mis on Maa pinnale lähemal. Külgmine "sild" on järjestuses vastupidine spekter: violetne on ülaosas. See juhtub seetõttu, et vihmapiiskade kiired peegelduvad kahekordselt peegelduv alt erinevate nurkade all.
Vikerkaare värvi intensiivsus ja laius on erinev. Kõige heledamad ja üsna kitsad ilmuvad pärast suvist äikest. Sellisele vihmale iseloomulikud suured tilgad tekitavad hästi nähtava, selgete värvidega vikerkaare. Väikesed tilgad annavad vikerkaare hägusemaks ja vähem märgatavaks.
Optilised nähtused atmosfääris: aurora borealis
Üks ilusamaid atmosfääri optilisi nähtusi on aurora. See on iseloomulik kõigile magnetosfääriga planeetidele. Maal täheldatakse aurorasid mõlema poolkera kõrgetel laiuskraadidel, ümbritsevatel tsoonidelplaneedi magnetpoolused. Kõige sagedamini võite näha rohekat või sinakasrohelist kuma, mida mõnikord täiendavad punased ja roosad välgud piki servi. Intensiivne aurora borealis on kangapaelte või voldikute kujuline, mis pleekimisel täppideks muutuvad. Piki alumist serva paistavad tumeda taeva taustal hästi välja mitmesaja kilomeetri kõrgused triibud. Aurora ülempiir on taevasse kadunud.
Need kaunid optilised nähtused atmosfääris hoiavad endiselt inimeste eest saladusi: teatud tüüpi luminestsentsi tekkemehhanismi, mis põhjustab teravate sähvatuste ajal pragunemist, ei ole täielikult uuritud. Üldpilt aurorade tekkest on aga tänapäeval teada. Taevast põhja- ja lõunapooluse kohal kaunistab rohekas-roosa helk, kuna päikesetuule laetud osakesed põrkuvad Maa ülemise atmosfääri aatomitega. Viimased saavad interaktsiooni tulemusena lisaenergiat ja kiirgavad seda valguse kujul.
Halo
Päike ja kuu ilmuvad sageli meie ette, ümbritsetuna halot meenutava helgiga. See halo on hästi nähtav rõngas valgusallika ümber. Atmosfääris moodustub see enamasti kõige väiksemate jääosakeste tõttu, mis moodustavad kõrgel Maa kohal olevad rünkpilved. Olenev alt kristallide kujust ja suurusest muutuvad nähtuse omadused. Sageli on halo vikerkaareringi kuju, mis tuleneb valguskiire lagunemisest spektriks.
Nähtuse huvitavat sorti nimetatakse parhelioniks. Valguse murdumise tulemusena jääkristallides sissePäikese tasemel moodustuvad kaks heledat laiku, mis meenutavad päevavalgust. Ajalookroonikatest võib selle nähtuse kirjeldusi leida. Varem peeti seda sageli kohutavate sündmuste esilekutsujaks.
Miraaž
Miraažid on ka optilised nähtused atmosfääris. Need tekivad valguse murdumise tulemusena õhukihtide piiril, mille tihedus on oluliselt erinev. Kirjanduses on kirjeldatud palju juhtumeid, kui kõrbes rändur nägi oaase või isegi linnu ja losse, mis ei saanud läheduses olla. Enamasti on need "madalamad" miraažid. Need tekivad tasasel pinnal (kõrb, asf alt) ja kujutavad endast peegeldunud taevast, mis tundub vaatlejale veekoguna.
Nn ülemuslikud miraažid on vähem levinud. Need tekivad külmadel pindadel. Ülemuslikud miraažid on sirged ja tagurpidi, mõnikord ühendavad nad mõlemat positsiooni. Nende optiliste nähtuste kuulsaim esindaja on Fata Morgana. See on keeruline miraaž, mis ühendab korraga mitut tüüpi peegeldusi. Reaalse elu objektid ilmuvad vaatleja ette, korduv alt peegelduvad ja segatakse.
Atmosfäärielekter
Elektrilisi ja optilisi nähtusi atmosfääris mainitakse sageli koos, kuigi nende esinemise põhjused on erinevad. Pilvede polariseerumine ja välgu tekkimine on seotud troposfääris ja ionosfääris toimuvate protsessidega. Hiiglaslikud sädelahendused tekivad tavaliselt äikese ajal. Välk tekib pilvede sees ja võib lüüa maapinda. Need on eluohtlikudinimesi ja see on üks põhjusi, miks teaduslik huvi selliste nähtuste vastu on. Mõned välgu omadused on teadlastele endiselt mõistatused. Tänapäeval on keravälgu põhjus teadmata. Nagu mõnede aurora ja miraažiteooria aspektide puhul, intrigeerivad elektrinähtused teadlasi jätkuv alt.
Artiklis lühid alt kirjeldatud optilised nähtused atmosfääris muutuvad füüsikutele iga päevaga üha arusaadavamaks. Samal ajal ei lakka nad nagu välk inimesi hämmastamast oma ilu, salapära ja mõnikord ka suurejoonelisusega.
