Fenomene Optice In Atmosfera Coroanele Solare Si Gloria

În cazul cerului noros în jurul Soarelui și Lunei adesea se observă o coroană. Coroana reprezintă un cerc colorat în jurul astrului. Marginea exterioară a unui astfel de cerc este întotdeauna colorată în roșu. primul cerc din imediata apropiere a astrului se numește coroana de ordinul înt|i sau aureolă. Al doilea cerc – coroana de ordinul doi, al treilea – de ordinul trei. Coroanele de ordinul trei se observă rareori. Colorația coroanelor secundare este aceeași ca și colorația aureolei.

Coroanele se formează at|t în nori cristalini, c|t și în norii apoși. Dimensiunile coroanelor formate în norii cristalini sunt destul de constante și ating c|teva grade (aureola). Coroanele care se observă în norii As, Ac și Sc constituiți din picături de apă au dimensiuni variabile. În norii formați din picături de apă de cele mai multe ori se vede numai aureola singură.

Similar cu fenomenul coroanelor este și fenomenul gloria care reprezintă de fapt o coroană în jurul punctului antisolar sau antilunar.

Coroanele se observă și în jurul planetelor și chiar și în jurul stelelor.

După datele obținute din zboruri s-a stabilit că at|t coroanele, c|t și gloriile se observă în nori, a căror grosime este de 0,5 -1 km. De cele mai multe ori coroanele și gloriile se observă în norii formați din picături de apă cu temperatură de la 0 p|nă la -80, precum și în norii formați din ace de gheață.

Fenomenul de coroană și gloria se explică perfect prin difracția luminii pe picături și cristale. O realizare importantă a constituit stabilirea faptului că, difracția luminii pe o picătură poate fi considerată ca o difracție pe un orificiu îngust de același diametru, iar difracția de pe un cristal ca o difracție pe o fantă cu aceleași dimensiuni.

Vom examina mai înt|i difracția luminii monocromatice pe o picătură, adică fenomenul de coroană din norii apoși. Din punct de vedere calitativ raționamentul poate fi făcut în modul următor.

Să presupunem că AB=d este diametrul picăturii (figura 1) fiind perpendicular pe fasciculul de raze ce vin de la astru. Unda luminosă ajung|nd la picătură, se propagă în toate direcțiile. În funcție de diferența de drum, pe ecran vom obține o alternanță de cercuri luminoase și întunecate.

Cercul luminos se obține în punctul M, în care diferența de drum este egală cu zero. În punctul z, unde diferența de drum este AZ-BZ=, vom obține un cerc întunecat, iar în punctul M’ unde BM’-AM’=, unul luminos. În punctul Z1* în care BZ’-AZ’=-3, – iarăși un cerc întunecat etc.

Aceste principii sunt valabile pentru razele de orice culoare. Diferența constă numai in aceea că, cercurile întunecate și luminoase se deplasează. Dacă pe o picătură cade lumină albă, aceasta se descompune în spectru, iar spectrul de difracție, după cum se știe, este în ceea ce privește dispunerea culorilor, invers spectrului ce se formează la refracția luminii albe. Prin urmare, marginea exterioară a cercului trebuie neapărat să fie colorată în roșu. At|t teoria c|t și practica ne arată că situația nu se schimbă dacă avem de-a face nu cu una ci cu o mulțime de particule, fie ele lichide (picături), sau solide (cristale). În acest fel se explică în mod elementar formarea coroanelor și colorația acestora. Totuși, deocamdată încă nu putem spune nimic despre dimensiunile coroanelor, grosimea aureolelor și cercurilor, precum și despre distanța dintre ele. Mai jos se dă o descriere mai amănunțită.

În figura III.23 este reprezentată o picătură din nor cu diametrul a. Dacă pe o picătură pe care, dupa cum am spus și mai sus, o considerăm drept orificiu de același diametru, cade mai înt|i o lumină uniformă, fiecare suprafață elementară (infinit de mică) cu dimensiunea va radia lumină. Vom trece acum la figura III.24, în care a este diametrul picăturii și vom determina amplitudinea oscilațiilor în punctul P, presupun|nd totodată că între punctul P și picătură se află o lentilă care face ca fasciculul de raze, inițial paralele, să conveargă în acest punct. În figura III.24 raza BP reprezintă raza centrală, care nu este refractată. Aportul vectorului electric ce depinde de rază, ce vine de la suprafața elementară și are o diferență de fază față de raza centrală egală cu , poate fi exprimată prin relația

dy=cos (1)

Pentru a aprecia aportul întregii suprafețe, adică pentru a calcula amplitudinea oscilațiilor în punctul P trebuie integrată expresia (1) în funcție de r și în limitele de la 0 p|nă la a/2:

(2)

Deoarece această integrală este proporțională cu amplitudinea vectorului electric în punctul P, se poate considera că el dă intensitatea relativă a luminii, condiționate de difracție, în punctul P. După cum se vede din figura 3, diferența dintre drumul parcurs de raza centrală și o altă rază oarecare de exemplu, de raza OP, este egală cu . Însă, de aici reiese că diferența dintre faze este:

(3)

și prin urmare

(4)

Expresia (4) se integrează termen cu termen în funsție de r și . În urma integrării se obține o serie denumită funcție Bessel de ordinul înt|i pentru care sunt întocmite tabele.

Notăm funcția Bessel de ordinul înt|i prin în care . Dacă notăm pe prin , atunci vom obține

(5)

Intensitatea luminii J0 reprezintă pătratul amplitudinii, pe care o putem considera egală cu y. Dacă prin Iq notăm intensitatea la , atunci intensitatea relativă va fi:

(6)

Analiza lui J0 ne arată că

(7)

în care E0 este fluxul de radiație ce reprezintă un fascicul de raze ce cad pe picătură.

Pentru n picături

(8)

În acest caz, Jd este intensitatea luminii coroanei pentru n picături. Pentru intensitatea relativă, pe baza expresiilor (6) și (8) obținem

. (9)

Expresiile (8) și (9) sunt valabile numai pentru lumina monocromatică. Pentru lumina albă, aceasta trebuie integrată în funcție de lungimea de undă .

Din ecuațiile (8) și (9) rezultă că, maximele și minimile de intensitate relativă se obțin la următoarele valori ale lui:

maximul pentru =0; 5,15; 8,47

minimul pentru =3,84; 7,02; 10,18

De unde în total minimul de intensitate se obține la

(n+0,22) .

Maximul la de obicei nu se observă; este șters și de aceea, primul maxim se fixează atunci, c|nd

(11)

sau, deoarece ,

c|nd (12)

Intensitatea luminii maximului, o dată cu creșterea numărului (curent) al acestuia scade foarte repede.

Expresia (10) poate fi scrisă sub următoarea formă:

, (13)

în care este raza picăturii.

Pentru n=1 se obține primul maxim, la n=2 al doilea etc.

După cum ne arată formula (3), poziția minimelor depinde de mărimea picăturilor și de lungimea de undă. Dacă pe picătură ar cădea lumină monocromatică atunci ar avea loc alternanța cercurilor întunecate cu cercurile luminoase. Deoarece însă, pe picături cade lumina albă, se produce suprapunerea culorilor și în acest caz, marginea exterioară a coroanei de orice grad ar fi ea, trebuie să fie colorată în roșu, iar marginea interioară – în violet. Aceasta se datorește faptului că la difracție devierea maximă o suferă razele roșii și minimă – razele violete.

Pe baza expresiei (13) se pot calcula dimensiunile unghiular ale aureolei. În acest caz n=1. Deoarece unghiul este mic, se poate admite că și deci:

(14)

Pentru primul cerc n =2 iar etc. Distanța dintre cercurile întunecate se determină din expresia (15)

Comparația dintre expresia (14) și (15) ne arată că aureola este mai lată dec|t orice cerc, iar dimensiunile unghiulare ale acestora sunt invers proporționale cu mărimea picăturilor. Astfel, după dimensiunile unghiulare ale aureolei se poate aprecia mărima elementelor noroase. Tocmai în acest mod s-a stabilit că, mărimea picăturilor noroase, care permite formarea coroanelor variază în limitele de la 0,510-3 p|nă la 1,210-3mm. Raza unghiulară a aureolei variază în funcție de condițiile concrete, în medie de la 1 p|nă la 50.

Dependența dimensiunilor coroanelor (a aureolelor) de dimensiunile picăturilor ne permite să apreciem acaracterul proceselor care se desfășoară în nori.

Așa de exemplu, micșorarea dimesiunilor coroanei dovedește că dimensiunile particulelor cresc, adică un criteriu că în perioada ce urmează sunt posibile precipitații.

Coroanele din norii cristalini se explică principal la fel. Difracția însă trebuie examinată nu pe un orificiu rotund, ci de pe o fantă. În acest caz, poziția minimelor se determină după formula

, (16)

în care a este lățimea secțiunii transversale a cristalului.

După cum ne arată formula (16) lățimea aureolei și a cercurilor din norii cristalini este aceeași, iar dimensiunile unghiulare ale aureolei din norii cristalini sunt mai mici, dec|t din norii formați din picături.

Gloriile se explică în mod absolut identic. Diferența constă numai în acea că, spre deosebire de coroane, difracția în cazul gloriilor se obține cu lumină reflectată și nu directă. Din această cauză , strălucirea gloriilor este cu mult mai slabă, dec|t a coroanelor, iar gloriile înșile se observă cu mult mai rar. Mai frecvent gloriile pot fi observate din avion.

BIBLIOGRAFIE

Liviu Leontie – Fizica atmosferei Editura Polirom Iasi 2004

C. Donald Ahrens – Meteorology Today Brooks/Cole Publishing 2003

Liviu Leontie – Introducere in fizica atmosferei – partea I Editura Gheorghe Asachi Iasi 2002

C. Donald Ahrens – Essentials of Meteorology , Wodsworth Publishing Company 1998

F. K. Lutgens/ Edward J. Tarbuck – The Atmosphere Pretence Hall New Jersey 1992

Sterie Ciulache Meteorologie – Manual practic Editura Universității din București 1973

Gheorghe Pop – Introducere in meteorologie si climatorologie Editura Științifică și Enciclopedică, București, 1988

C. Stoica / M. Cristea – Meteorologia generala Ed. Tehnica Bucuresti 1971

G.M.B Dobson – Exploring the Atmosphere , Oxford Clarendon Press 1968

http://www.wolkenatlas.de/wolken/gopte01.htm

http://acept.la.asu.edu/PiN/info/toc_topics.shtml

http://apollo.lsc.vsc.edu/classes/met130/notes/chapter19/index.html

http://atmospherical.blogspot.com/

http://www.atoptics.co.uk/

http://cimss.ssec.wisc.edu/wxwise/class/optics.html

http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_phenomen